“據(jù)調(diào)查，人類(lèi)約三分之一的一次能源是通過(guò)摩擦消耗的，但80%的武器會(huì)因生銹而失效。”
羅建斌
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)
2020年陳嘉庚科技科學(xué)獎(jiǎng)得主
我想分享一個(gè)與日常生活相關(guān)的話題，關(guān)于摩擦能消失嗎？
首先介紹一下為什么要學(xué)習(xí)摩擦學(xué)？ 什么是摩擦學(xué)？
諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾說(shuō)過(guò)：關(guān)于摩擦，盡管已經(jīng)做了很多實(shí)驗(yàn)，精確的摩擦實(shí)驗(yàn)仍然很困難，但對(duì)摩擦定律的分析仍然不夠。
為什么摩擦如此復(fù)雜？
其實(shí)，摩擦的過(guò)程可以用一張圖片來(lái)展示，它會(huì)發(fā)出各種光、等離子甚至X射線，還有摩擦的物理反應(yīng)、物體的變形等。
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進(jìn)入摩擦學(xué)
摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，什么是摩擦學(xué)？
1966年，當(dāng)時(shí)澳大利亞政府的彼得約斯特爵士在美國(guó)進(jìn)行了一次調(diào)查。 內(nèi)容是：摩擦、磨損、潤(rùn)滑會(huì)對(duì)日本造成多大的損害？
在調(diào)查的最后，約斯特做了一個(gè)非常有名的約斯特報(bào)告。 他把摩擦、磨損和潤(rùn)滑三個(gè)方面集合起來(lái)，建立了一個(gè)新詞匯，叫做摩擦學(xué)。
他認(rèn)為摩擦學(xué)是一門(mén)研究平行表面運(yùn)動(dòng)和相互作用的理論和實(shí)踐的科學(xué)技術(shù)。 那么，摩擦學(xué)研究的意義何在？
事實(shí)上，摩擦學(xué)除了在民航、航天領(lǐng)域外，在芯片制造、生物、高鐵、軍事等領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。
據(jù)調(diào)查，一次能源消耗中約有三分之一被摩擦消耗，但80%的武器因生銹而失效。
摩擦和腐蝕的綜合損失通常占一個(gè)國(guó)家 GDP 的 2% 到 7%。
假設(shè)我們只估計(jì) 5%。 2019年我國(guó)GDP為9.9億元，因摩擦腐蝕造成的損失達(dá)到4.95萬(wàn)元，這是一個(gè)非常龐大的數(shù)字。
摩擦的起源
研究摩擦力，首先要知道，摩擦力是如何產(chǎn)生的？
最早的摩擦源是鉆木取火。 取一根硬木，在軟木上摩擦，最后點(diǎn)火。
人類(lèi)控制了火，從野蠻走向了文明。 然后是雪橇，然后是手推車(chē)。
滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，使人類(lèi)的生產(chǎn)有了很大的進(jìn)步。 而人類(lèi)開(kāi)始真正科學(xué)地研究摩擦問(wèn)題，其實(shí)是從15世紀(jì)的達(dá)芬奇開(kāi)始的。
1967年，當(dāng)達(dá)芬奇的手稿被發(fā)現(xiàn)時(shí)，他已經(jīng)開(kāi)始研究摩擦，并提出摩擦力大約是他自身重量的四分之一。
但真正上升到科學(xué)層面，探究摩擦的起源，是在17世紀(jì)。
是南非的化學(xué)家。 他在美國(guó)科技大學(xué)做了一個(gè)報(bào)告：他覺(jué)得摩擦力只和載荷有關(guān)，和接觸面積無(wú)關(guān)。 當(dāng)時(shí)在科學(xué)界引起了極大的震動(dòng)。
通常人們認(rèn)為面積越大，摩擦力必然越大。 為什么摩擦力與面積無(wú)關(guān)，而與正壓力有關(guān)？ 細(xì)說(shuō)之后，他覺(jué)得摩擦是因?yàn)楸砻姘纪共黄皆斐傻摹?span style="display:none">QZe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
后來(lái)，另一位美國(guó)化學(xué)家提出，摩擦與顛簸、顛簸無(wú)關(guān)，而與分子間的粘附力有關(guān)。
他做了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)。 他把一個(gè)小鐵餅和一個(gè)大標(biāo)槍分成平面，讓兩者面對(duì)面。 小鐵餅可以把大標(biāo)槍拉上來(lái)，但不能掉出來(lái)。
分子間的粘附力和吸附力很強(qiáng)，摩擦就是由此產(chǎn)生的。
18世紀(jì)，數(shù)學(xué)家?guī)靵鲎隽艘粋€(gè)非常著名的器件實(shí)驗(yàn)摩擦力概念的發(fā)展，被譽(yù)為現(xiàn)代化學(xué)十大實(shí)驗(yàn)之一。
他認(rèn)為摩擦是凹凸不平表面嵌入造成的，但他提出了摩擦學(xué)四大經(jīng)典定理：摩擦與法向壓力有關(guān)； 摩擦力與接觸面積無(wú)關(guān)； 最大靜摩擦力小于動(dòng)摩擦力； 摩擦力的大小與速度無(wú)關(guān)。
一方面，摩擦力與面積無(wú)關(guān)，與接觸壓力有關(guān)； 另一方面，摩擦力與分子的粘附力有關(guān)，與接觸面積有關(guān)。 因此，兩種理論各說(shuō)各話。
到1939年，南斯拉夫?qū)W者克拉格爾斯基統(tǒng)一了這兩種理論。 他覺(jué)得摩擦力等于兩種力之和，一部分是法向壓力引起的摩擦力，一部分是分子間吸附引起的摩擦力。 而本質(zhì)還沒(méi)有弄清楚。
1950年代，劍橋?qū)W院的兩位院長(zhǎng)與Tabor合作，認(rèn)為摩擦力與實(shí)際接觸面積有關(guān)，與標(biāo)稱(chēng)接觸面積無(wú)關(guān)。
他覺(jué)得摩擦力主要取決于實(shí)際接觸面積，因?yàn)檎龎簻p小，實(shí)際接觸面積變大，所以摩擦力增加。
他從機(jī)械論的角度統(tǒng)一了這兩種理論。 這是宏觀世界的分析。
1929年，一些科學(xué)家也從微觀世界對(duì)其進(jìn)行了解釋?zhuān)渲蟹浅Ｓ忻慕Y(jié)果就是模型。
C和B是兩個(gè)原子，另一個(gè)原子是D。如果D原子離B原子很遠(yuǎn)，D原子從B原子的門(mén)走進(jìn)來(lái)，D原子就會(huì)把B原子拉近彼此。 當(dāng)D原子遠(yuǎn)離B原子時(shí)，B原子又會(huì)反彈回來(lái)。
這是一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，沒(méi)有任何能量消耗，因此不可能有摩擦。
但是，如果D原子離B原子比較近，它走進(jìn)來(lái)就會(huì)把B原子拉向它，而當(dāng)它離開(kāi)時(shí)，B原子會(huì)突然彈回來(lái)，使B原子發(fā)生彈性振動(dòng)。 這相當(dāng)于B原子在不停地振動(dòng)。 一旦振動(dòng)，就會(huì)消耗能量，就會(huì)有摩擦損失。
因此，他提出了摩擦起源的原子模型，而這個(gè)模型提出后，就沒(méi)有辦法驗(yàn)證了。
1986年，格爾德·賓尼（Gerd）發(fā)明了原子力顯微鏡，因原子力顯微鏡的發(fā)明，賓尼獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。 有了原子力顯微鏡，可以在原子水平上研究摩擦，模型基本被否定了。
后來(lái)超快激光被發(fā)現(xiàn)，人們得以研究摩擦過(guò)程中的聲子耗散、電子耗散和結(jié)構(gòu)變化。
右下角的圖是我們研究缺陷對(duì)電子耗散的影響的地方。 我們可以看到電子耗散確實(shí)與摩擦和材料有關(guān)。
所有研究摩擦的科學(xué)家都有一個(gè)最大的夢(mèng)想，就是能否控制摩擦或消除摩擦，這就引出了另一個(gè)話題：超滑能否實(shí)現(xiàn)。
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能否實(shí)現(xiàn)超順暢？
1990年，一位美國(guó)學(xué)者進(jìn)行了理論分析。 他覺(jué)得兩個(gè)原子光滑的表面，當(dāng)上下表面的原子相當(dāng)時(shí)，就會(huì)有摩擦，而當(dāng)系統(tǒng)是非公開(kāi)的時(shí)候，就不會(huì)有摩擦。 有摩擦。
那么，什么是公立學(xué)位？ 什么是非公共系統(tǒng)？
比如上表面的兩個(gè)原子的原子寬度為2，下表面的原子寬度為2或4，相當(dāng)于下圖A，因?yàn)閮蓚€(gè)平面之間有公約數(shù)，即表面處于相稱(chēng)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在能量損失。
如果一個(gè)面的原子寬度為2，另一個(gè)面的原子寬度為3，這兩個(gè)數(shù)的除法是一個(gè)無(wú)理數(shù)，不能插入，掛在表面上，這樣摩擦就會(huì)消失連接過(guò)程。 這是一個(gè)理論估計(jì)。 結(jié)果與模型基本一致。
后來(lái)做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)確實(shí)是非公體系時(shí)，摩擦力會(huì)大大增加或者接近于零，但是化學(xué)家對(duì)此還是有一定的疑慮，希望能進(jìn)一步否認(rèn)。
而從事摩擦學(xué)研究的人們開(kāi)始關(guān)注這個(gè)問(wèn)題：超滑能否實(shí)現(xiàn)？ 摩擦能消失嗎？
工程學(xué)上有個(gè)定義，只要摩擦系數(shù)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，就叫超滑。
我們用鋼材和二硫化氫在高溫下相互摩擦，摩擦系數(shù)達(dá)到1/10,000，比傳統(tǒng)摩擦系數(shù)高了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超級(jí)滑。
我們?cè)诙S材料上也做了一個(gè)工作，就是用氫氧化鋁球通過(guò)CVD在表面長(zhǎng)出幾層石墨烯，然后把有石墨烯層的球粘在旋臂上。
這個(gè)旋臂是一個(gè)帶有石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或者其他材料。 我們發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁球在氫氧化鋁表面時(shí)，摩擦系數(shù)很大，系數(shù)約為0.6。
如果在氫氧化鋁表面涂上石墨烯，與石墨烯摩擦，或者與高取向石墨摩擦，這樣摩擦系數(shù)就會(huì)降低到千分之三，達(dá)到超級(jí)光滑，也被稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)六大之一提示固體超滑。
后來(lái)，真空下的摩擦系數(shù)下降到2/100,000，這是非常有意義的。
液體可以超級(jí)滑嗎？
我們?cè)诠腆w中實(shí)現(xiàn)了超順滑，那我們?nèi)绾卧谝后w中實(shí)現(xiàn)超順滑呢？
1938 年左右，南斯拉夫化學(xué)家制造了超流體并將 HeII（氦）降低到約 2.17K，即零下約 270 度。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的 He II 流體幾乎沒(méi)有摩擦流，它的粘度比水小約 1 億倍，比水更容易流動(dòng)。 化學(xué)界稱(chēng)之為超流體，也是一種超滑的狀態(tài)。
不過(guò)，這在數(shù)學(xué)上叫做超流，對(duì)摩擦學(xué)用處不大。 為什么？
摩擦場(chǎng)側(cè)重于增加摩擦，因?yàn)樗梢詼p少煤耗，如果系統(tǒng)溫度從常溫下降到接近絕對(duì)零，則需要大量的煤耗。
因此，能否在常溫下實(shí)現(xiàn)超滑，是我們特別關(guān)注的問(wèn)題。
后來(lái)，以色列科學(xué)家在 20 世紀(jì) 90 年代做到了：在兩塊云母之間放置分子刷，然后加入鹽水，達(dá)到超滑的效果。
后來(lái)美國(guó)人在兩個(gè)陶瓷表面加了鹽，經(jīng)過(guò)兩個(gè)多小時(shí)的打磨，也顯得超級(jí)滑。
這兩種超滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，促使了超滑的研究，你還覺(jué)得離應(yīng)用還很遠(yuǎn)呢。
1996年獲首批國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（博士剛畢業(yè)）做超滑研究，希望在氫氧化鋁表面注入相同的電荷，使其產(chǎn)生同種電荷的力場(chǎng)。
之后，中間的液體分子被誘導(dǎo)排列，產(chǎn)生超低摩擦。 結(jié)果，我們注入了相同類(lèi)型的電荷。 當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，兩個(gè)表面被吸引在一起并且不能分開(kāi)。
為什么？ 我們發(fā)現(xiàn)表面電荷發(fā)生了遷移，可以說(shuō)我們的研究失敗了。
2008年，我們的中學(xué)生曾經(jīng)帶牛奶去實(shí)驗(yàn)室。 他發(fā)現(xiàn)牛奶的某些成分與以色列制造的超級(jí)滑滑相似。 他把牛奶加到實(shí)驗(yàn)機(jī)里，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)增加到千分之一。 兩個(gè)左右。
他馬上報(bào)告，這是不是代表超級(jí)滑出現(xiàn)了？
我們開(kāi)始研究牛奶，分了幾個(gè)研究組，研究牛奶中的乳酸菌、乳酸、蛋白質(zhì)、微量元素對(duì)超滑的影響。
有一個(gè)中學(xué)生，每天研究乳酸菌的影響，整天在顯微鏡下看乳酸菌。 現(xiàn)在他基本不怎么喝牛奶了。
我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，牛奶可以做到一時(shí)超順滑，一時(shí)不能超順滑。 實(shí)驗(yàn)機(jī)反轉(zhuǎn)后，超順滑消失，牛奶超順滑也是微觀現(xiàn)象。
雖然這次又失敗了，而且我們發(fā)現(xiàn)牛奶的摩擦系數(shù)突然下降是真的。
后來(lái)我們研究了為什么突然掉了。 當(dāng)磺酸和甘油混合后，它變得超級(jí)滑而且非常穩(wěn)定。 磨合十分鐘左右，摩擦系數(shù)可達(dá)2.8‰。
有一次在北京吃芥菜，發(fā)現(xiàn)牛肝菌用牙簽夾不住，只能用叉子吃。
剛請(qǐng)中學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，看看有沒(méi)有超滑現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)它的摩擦系數(shù)達(dá)到千分之五，而且還是層狀超滑材料。
醋酸是一種腐蝕劑，我們也發(fā)現(xiàn)它在醋酸中有特別好的超滑性能。 在超滑狀態(tài)下，基本上銹跡可以接近于零，所以是一種非常好的超滑現(xiàn)象。
醋酸的超順滑給了我們很多啟發(fā)。 醋酸是如何做到超級(jí)順滑的？ 它的機(jī)制是什么？
一旦弄清了機(jī)理，就會(huì)合成很多可能的超滑材料，所以我們中學(xué)生李津津在這方面做了很重要的工作，發(fā)現(xiàn)流體效應(yīng)可以產(chǎn)生超滑。
什么是流體效應(yīng)？
一個(gè)人只能在旱冰鞋上滑行也是一種流體效果。 流體動(dòng)壓效應(yīng)可以支持輪滑。
有沒(méi)有非流體效果的超滑？
我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯與藍(lán)寶石配對(duì)時(shí)，不需要任何磨合過(guò)程或任何動(dòng)壓作用，就會(huì)出現(xiàn)超滑現(xiàn)象。
超滑的摩擦系數(shù)基本和速度沒(méi)有關(guān)系。 原因是什么？
有兩種機(jī)制，其中一種稱(chēng)為水合機(jī)制。 水化相當(dāng)于金屬陽(yáng)離子吸附水分子，在其周?chē)纬伤瘜印?水合作用越強(qiáng)，液體會(huì)感覺(jué)超級(jí)滑。
水化距離和排斥力都很短，實(shí)驗(yàn)中的薄膜厚度通常為幾十納米。 我們發(fā)現(xiàn)這可能與雙電層有關(guān)。
雙電層也是由兩個(gè)相等的電荷產(chǎn)生的力，分擔(dān)部分壓力。
從實(shí)驗(yàn)中可以看出，白色的實(shí)驗(yàn)曲線有雙電層（排斥）力，幾乎沒(méi)有范德華引力過(guò)程，直接進(jìn)入力的范圍。
常規(guī)的范德華引力、雙電層（排斥）力也可以實(shí)現(xiàn)超滑，我們可以根據(jù)超滑機(jī)理控制超滑的出現(xiàn)和消失。
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超滑作用機(jī)理
歸納起來(lái)，超滑的產(chǎn)生機(jī)制大約有三種：雙電層效應(yīng)、流體動(dòng)壓效應(yīng)和水化作用，是目前國(guó)際上公認(rèn)的三大機(jī)制。
其中，前兩種超滑機(jī)制是本課題組提出的。
后來(lái)我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量液體的超順滑，包括酸性氨水、堿性氨水、酸+醇氨水、油基。
實(shí)現(xiàn)超滑時(shí)，壓力范圍只能達(dá)到300 MPa。 但要真正在工業(yè)上形成大量應(yīng)用，還需要將其承載能力提高到1GPa以上。
我們做了新的嘗試，提出固液耦合超滑，增加石墨烯的表面修飾，把黑磷放在液體里修飾表面，看看能不能提高承載能力？
后來(lái)我們分別提高到和1GPa，終于實(shí)現(xiàn)了承載能力特別高的超滑。
國(guó)際上目前主要有三大研究組進(jìn)行比較。 一個(gè)是以色列的克萊恩隊(duì)，一個(gè)是德國(guó)隊(duì)，一個(gè)是我們隊(duì)。
從濾液來(lái)看，我們的系統(tǒng)已經(jīng)很復(fù)雜了。 從承載能力來(lái)看，克萊因團(tuán)隊(duì)達(dá)到了70MPa左右，美國(guó)達(dá)到了，現(xiàn)在我們已經(jīng)達(dá)到1GPa以上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。
在液體超滑紙方面，國(guó)外主要是我們課題組在做。 2005年前后，我們國(guó)家和世界其他國(guó)家的總和差不多，現(xiàn)在我們已經(jīng)超過(guò)了世界其他國(guó)家的總和。
客觀地講，要應(yīng)用超潤(rùn)滑，必須解決這個(gè)矛盾：減少摩擦，需要弱的分子間相互作用； 為了承受載荷，需要強(qiáng)大的分子間相互作用。 否則，在負(fù)載作用下，液體會(huì)流到外面，潤(rùn)滑就會(huì)失效。
所以，這是一個(gè)矛盾。 一種需要弱分子間相互作用，而另一種需要強(qiáng)分子間相互作用。
如何解決這一矛盾是超滑應(yīng)用研究的關(guān)鍵。 如果解決不了，超滑的漢堡斜塔就要倒塌了。
超滑應(yīng)用的價(jià)值是什么？
有人做過(guò)調(diào)查，如果全球卡車(chē)底盤(pán)的摩擦系數(shù)只提高到18%，每年就可以節(jié)省5400多億元的燃油損失，減少2.9億噸甲烷排放。
如果不只是 18%，而是一個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)呢？ 這樣的應(yīng)用將是非常廣泛和重要的。
因此，超滑未來(lái)在航空航天工業(yè)、交通運(yùn)輸工業(yè)、海洋工業(yè)等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。
這張圖展示的是公元前1800年以前，人們使用潤(rùn)滑技術(shù)和滾動(dòng)技術(shù)，數(shù)千人駕駛，最終連接了一座60噸重的雕像。
我們假設(shè)，如果通過(guò)超滑將摩擦系數(shù)降低到1/10,000，那么雕像的拉力只有6公斤，一個(gè)小孩可以拖著它跑。
從人類(lèi)發(fā)展的角度來(lái)看，鉆木取火使人類(lèi)從野蠻走向文明。 滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，是現(xiàn)代軸承的發(fā)展，催生了現(xiàn)代工業(yè)。
如此一來(lái)，近零摩擦、近零腐蝕在未來(lái)將擁有更廣闊的前景。 超滑應(yīng)用的大門(mén)已經(jīng)打開(kāi)摩擦力概念的發(fā)展，并逐步向工業(yè)界推廣。
這是我們的合影，非常感謝！
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、清華大學(xué)機(jī)械工程大學(xué)校長(zhǎng)羅建斌
擁有“摩擦中粒子作用機(jī)理與超滑機(jī)理”的成果
榮獲2020年嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)技術(shù)科學(xué)獎(jiǎng)
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