清華大學在宏觀標準超光滑范疇獲得重大沖破 -編號:HZ186bV

2015-02-15 20:13 來源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

　　為了便利對超長的碳納米管的操縱，該團隊還發展了單根碳納米管的納米顆粒標志技術，從而實現了光學環境及掃描電鏡下對大尺度單根碳納米管的定位與操縱（相關工作發表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《納米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上），這為宏觀尺度超潤滑現象的觀察和測量提供了前提。

　　超潤滑(superlubricity) 是20世紀90年代早期由日本學者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也稱結構潤滑(structural lubricity)，它是指當晶體表面以非公度形式接觸時，有可能呈現界面摩擦和磨損多少乎為零的現象。從前二十年中所發現的超潤滑現象重要是在納米尺度和高真空條件下實現的，實現宏觀尺度上的超潤滑不僅請求固體表面具備超高的模量，而且要求在宏觀尺度上原子級平坦，無缺陷與位錯，如此刻薄的條件使得人們廣泛認為大尺度下簡直不可能實現超潤滑。

圖為雙壁碳納米管管壁之間存在超潤滑的示用意，該圖表現：從理論上講，無論碳納米管有多長，都可以用渺小的力將其內層從管中抽出。

清華大學在宏觀尺度超潤滑范疇獲得重大沖破

　　這項研究工作由清華大學化工系魏飛教授課題組牽頭，與清華微納米力學研究核心張瑩瑩副傳授、鄭泉水教學跟北京大學信息學院陳清教授課題組配合實現。國度天然迷信基金委員會和國家重大研究發展打算贊助了這項研究。

　　清華消息網11月4日電（通信員龔華）近日，清華大學化工系魏飛教授團隊與清華大學微納米力學與多學科穿插翻新研究中央、北京大學信息學院協作，在超潤滑領域取得重大打破，在世界上首次檢測到了大氣環境下厘米以上長度碳納米管管層間的超潤滑現象。所實現的超潤滑尺度比以前報道成果的最高值高出3個數量級，同時所得到的摩擦剪切強度比以前報道結果的最低值降低了4個數量級。相干結果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》（大氣環境下厘米級長度雙壁碳納米管上的超潤滑）為題目于2013年11月3日在線發表在國際納米領域威望學術期刊《做作—納米技術》(Nature Nanotechnology)上。《天然—納米技術》還同期刊出了專題評論文章，邀請世界有名摩擦實踐專家、以色列特拉維夫大學的Michael Urbakh教授對這一重大發現給予評論。文章的第一作者為清華大學化工系博士生張如范。

供稿：化工系　編纂：襄樺

　　在上述基本上，他們首先在光學顯微鏡下通過用幽微氣流吹動碳納米管的方式察看到了碳納米管管壁之間疾速絕對活動的巧妙景象，進而在應用掃描電鏡下的微納米把持平臺進行雙壁碳納米管內層的可控抽出,清華大學研修班，并丈量了管壁間的超低摩擦力。他們發明，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力（只有1~4 nN），并且這種摩擦力與碳納米管的長度不關聯，即無論多長的碳納米管，其內層都能夠被容易地抽出來。他們演示了厘米長度碳納米管（長徑比為107）的內層抽出，比以前報道的實現超光滑的標準（約10微米）進步了至少3個數量級。另外，產生相對滑動的兩個名義之間的剪切強度是表征其摩擦力大小的主要參數，本研討工作中得到的碳納米管管壁之間的剪切強度只有2~3 Pa，比之前所測得的剪切強度最小值（0.04 Mpa）下降了至少4個數目級。

　　審稿人評估說：“這是一項有趣的、并且是激動聽心的工作：首次從實驗手腕上證明了大氣環境下的宏觀尺度超潤滑現象！這項工作以其里程碑式的新鮮發現斷定無疑地證實了宏觀尺度超潤滑的存在，我認為這是該工作最為重要和創造性的處所！毫無疑難，這是第一次視察到從微觀到宏觀尺度下如斯低的摩擦力。我還想指出這項工作在發展試驗技術方面所做出的原創性的工作。我以為這項工作對研究和把持摩擦力做出了重大的、發明性的奉獻；并且深信，這項工作將會激發超潤滑研究領域越來越多的實驗研究和技巧利用”。

　　這項工作為下一代全碳電子器件構筑、超潤滑機械開發以及超高速微納米機械、電子器件制備供給了基礎。

　　摩擦現象始終是人類面臨的最具挑釁性的問題之一。全世界約1/3至1/2的一次機能源由摩掠過程耗費；產業發達國家因摩擦磨損造成的喪失高達GDP的5%-7%。在微觀尺度，因為資料比表面積增大，使得摩擦現象更加明顯。因而，跟著古代制作技術的發展，當體系尺寸縮小到微納米尺度時，界面摩擦成為制約器件性能和壽命的要害因素。解決摩擦磨損問題的基本道路是實現固體界面之間的極低摩擦甚至零摩擦，即超潤滑。

　　碳納米管從構造上看是由石墨烯卷曲而成，因為石墨烯層間只有微弱的范德華力，所以多壁碳納米管的管壁之間很輕易發生相對滑動；另外，碳納米管的內外管壁之間的手性結構是彼此獨破的，通常以非公度情勢接觸，這為管壁之間的超潤滑提供了條件。然而，理論研究表明，當碳納米管存在哪怕只有一個原子級別的缺陷時，其管壁間摩擦力就會急劇增大。因此，要想用碳納米管研究宏觀尺度的超潤滑，必需首先制備出宏觀長度且存在原子級完善結構的碳納米管。經由近十年的盡力，魏飛教授團隊在碳納米管的制備方面取得了一系列突破，制備出了長達半米長的碳納米管，并且證明了碳納米管在長達數厘米的范疇內沒有任何缺點（相關工作曾屢次發表在《進步材料》(Advanced Materials)、《美國化學會—納米》（ACS Nano）、《材料化學》(Chemistry of Materials)等國際著名材料期刊上），這為研究宏觀尺度超潤滑提供了幻想材料。