追求「零」摩擦之境–結構超滑技術與科學

圖 1：科幻小說《三體》三部曲中三體文明探測器 「水滴」 的想像圖 1。其表面絕對光滑，不會有任何摩擦磨損，材料強度極高。

在劉慈欣的著名科幻小說《三體》三部曲中，三體文明的宇宙探測器 「水滴」 無疑是極強大又極唯美、令人震撼的存在。「水滴」 這名稱來自探測器的外形（圖 1）。在小說的設定裡，由於 「水滴」 表面的所有原子都被強相互作用力死死地釘在一起，其表面呈現出原子級的絕對光滑，不會有任何摩擦和磨損。並且，「它的強度比太陽系中最堅固的物質還要高百倍，這個世界中的所有物質在它面前都像紙片般脆弱，它可以像子彈穿透奶酪那樣穿過地球，表面不受絲毫損傷」（摘自小說原文）。在小說情節裡，「水滴」 正是靠著它的超高材料強度，和零摩擦零磨損的摩擦學特性，只是利用最原始的撞擊，就讓人類兩千多艘太空戰艦幾乎全軍覆沒，而它自己卻沒有任何損傷。

小說寫到，「水滴則外形完美。。。用精緻的唯美消弭了一切功能和技術的內涵，表現出哲學和藝術的輕逸和超脫」。「水滴」 在材料力學和摩擦學方面達到的技術境界確實令人神往。然而，根據人類目前的科學理論，原子間的相互作用不可能是強相互作用，而是弱很多的電磁相互作用，因此，上述 「水滴」 無法被製造出來。

那麼，有沒有哪種現實的技術有接近 「水滴」 那樣的摩擦學性質呢？答案是有的，一個代表性的技術便是 2012 年前後開啟的結構超滑技術 2–5。

結構超滑技術

結構超滑（structural superlubricity），我們定義為直接接觸（不需要加潤滑劑）的兩固體表面間相對滑動時，摩擦力幾乎為零、磨損為零的狀態 4,5。在這種狀態下，其摩擦係數一般小至量級或更低。長期以來，這種 「零」 摩擦狀態只存在於科幻和理論猜測中。而現在，單個接觸區域面積達量級的結構超滑已經能成熟地實現。單個更大接觸面積乃至宏觀的結構超滑的實現，仍然在研究之中 5。另外，結構超滑體系接觸面兩邊材料的某些強度確實很強（比鋼鐵強上百倍），表面也做到了納米級的平滑，這兩點和 「水滴」 也是有相似之處的。

那麼，結構超滑體系是如何實現這些優異的摩擦學特性的呢？為了解釋結構超滑的基本原理，我們需要引入 「公度」 與 「非公度」 的概念。這個概念的嚴格定義比較複雜。我們這裡就用日常生活中常見的雞蛋盒為例來簡單說明，讓讀者朋友有個直觀的認識。如圖 2 所示，我們用兩個蛋盒類比兩個相同的晶格表面。晶格指晶體內原子排列的具體形式，而晶體可以簡單理解為原子周期性規則排列形成的固體。

圖 2：（a）和（b）分別展示了二維下公度和非公度可以用雞蛋盒來形象地理解 6。

在圖 2（a）中，當兩蛋盒取向一致時，上面蛋盒的突起恰好嵌入下面蛋盒的凹陷之中，他們剛好卡住。此時我們說上下表面匹配，並把這種情形稱為 「公度」 接觸。此時根據日常生活經驗，我們知道要把兩個蛋盒沿側向拉開需要花費很大力氣，且容易拉壞，對應晶格界面來講就是摩擦力很大，很容易造成磨損。然而，如果我們將上面的蛋盒旋轉一個角度之後再放到下面的蛋盒上，兩個蛋盒就無法卡住了，如圖 2（b）所示。此時我們說上下表面不匹配，並把這種情形稱為 「非公度」 接觸。此時只需要很小的力就能拉動上面的蛋盒，並且蛋盒不會拉壞，對應晶格界面來講就是摩擦力很小，磨損幾乎為零。

因此，簡單來說，結構超滑體系正是通過非公度接觸，才實現了優異的摩擦學特性。目前，微米尺度的結構超滑，主要由微米尺寸的石墨塊和石墨等材料的接觸實現。

了解了結構超滑的基本原理和實現方式後，讓我們來看看結構超滑技術可能具有什麼改變我們生活的顛覆性應用。

在我們日常生活中，要降低無處不在的摩擦和磨損，使用潤滑液是常見的做法。例如，自行車車軸上使用的潤滑油，降低了相關零件的摩擦磨損，增長了自行車使用壽命。

但在微納小尺度下（比人的頭髮絲直徑更小），摩擦和磨損等表面效應會比在宏觀尺度下更為顯著【注一】。然而，在微納小尺度接觸面中使用潤滑液卻存在很大的困難。這是因為潤滑液在微小尺度的限制下會非常粘稠（想像下粘稠的瀝青），以及容易在壓力下被擠出接觸面，造成潤滑失效 5。因此，對於微小器件來說，由於無法使用潤滑液，要降低摩擦磨損就必須避免器件裡運動部件間的接觸，這也成為了長期以來微小器件的普遍設計 「準則」。我們日常使用的各種電子設備，比如手機、電腦中，會大量用到這些微小器件。因此，這個設計 「準則」 極大地限制了研究者和發明家對於微小器件乃至各種電子設備的想像和發明。結構超滑技術完全不需要潤滑液，恰恰能顛覆式地突破以上設計 「準則」 的限制，賦予各種器件和電子設備設計全新的想像空間。

我們團隊目前正在研發的四項結構超滑應用技術，包括超滑微發電機、超滑機械硬碟存儲技術、超滑射頻開關、超滑微諧振器，正是巧妙利用了結構超滑技術，為相關技術領域的痛點問題提供了顛覆性的解決思路。關於這些應用技術的細節，讀者朋友可參考我們在 「超滑論壇」 置頂的結構超滑深度科普文（http://www.superlubricity.com/cn/，可點擊論壇標籤進入超滑論壇）。

結構超滑技術是一項平臺性技術，除了以上提到的應用外，還有極大潛力被應用在高端製造、物聯網、生物技術、綠色環保、航空航天等眾多領域，催生一系列 「從 0 到 1」 的開創性和顛覆性技術。特別的，因為第四次工業革命的很多領域（如物聯網和生物技術）都會以微米尺度的元件作為基礎元件之一，而微米尺度的結構超滑技術已經成熟，因此這些顛覆性應用可望助推第四次工業革命。為了加快結構超滑技術的產業轉化，在深圳市政府和深圳市坪山區政府資助下，擁有相關世界頂尖技術和設備的全球第一個超滑技術研究所（簡稱 「超滑所」）於 2020 年 11 月在深圳坪山正式啟動運行 7。超滑所由結構超滑技術的開拓者、中科院院士、清華大學教授鄭泉水領銜，成員和合作者包括了結構超滑相關領域全世界最頂尖的一批專家，以及有志於結構超滑技術顛覆性應用的研發和商業化人員。

新科研模式探索

對於科研來說，科研想法（ideas）的開創性和絕妙程度（即契合某領域發展需要的程度），決定了最終科研成果的檔次和影響力。在傳統的科研模式中，很多 ideas 產生自科研團隊內部的交流，以及學術會議或訪問時研究者與少數同行的交流。然而，在這樣的科研模式下，由於參與人員的背景單一且人數少，ideas 產生總量也就很小，不同領域的 ideas 碰撞交流產生新的絕妙 ideas 的機率也小。我們認為，對於第四次工業革命這樣涵蓋眾多領域，且需要各領域緊密聯繫、協同發展的產業革命來說，傳統的科研模式已經無法滿足科技迅猛發展的需要，新的科研模式急需探索。其中，如何連結眾多領域、倍增初始 ideas 的總量和多元性、以及加快眾多 ideas 碰撞產生新 ideas 的速度，是新科研模式探索的重點之一。

我們目前的一個嘗試，是通過創作上文提到的結構超滑 「深度科普文」 來充分調動全社會的理工人士的興趣，激發他們產生與結構超滑科學與技術相關的科研 ideas。我們這裡所謂的 「深度科普文」，是介於普通科普文（面向所有公眾）和學術論文（主要面向某領域專業人士）之間的一種科普文模式。優秀的普通科普文雖然生動易懂、有趣、對讀者友好、讀者面極廣，但乾貨量（即專業知識量）和深度不足以激發科研 ideas。學術論文雖然乾貨量和深度足夠，但通常寫得不夠生動易懂有趣，其他領域的專業人士很難看明白，讀者面很窄。深度科普文的乾貨量和深度介於普通科普文和學術論文之間，同時儘量兼具生動易懂、有趣、對讀者友好、且有啟發性的特點。這些特點讓深度科普文能夠比學術論文有更廣的讀者群體，特別是讓其他領域的專業人士容易看懂，且容易激發讀者產生 ideas。

我們的另一個嘗試，是把激發起來的大量科研 ideas 和對結構超滑感興趣的人群匯集起來，形成一個生態。其中，一個重要步驟是把大量 ideas 通過 ideas 徵集大會（Open Call）的形式集中，並且通過頭腦風暴等組織形式，讓不同背景人士的 ideas 高效率地互相激發，產生更多絕妙、意想不到的 ideas。這種 ideas 激發模式，由鄭泉水團隊在清華大學創立，在過去幾年通過 X-Ideas 活動不斷探索和優化，取得了很好的效果 8,9。超滑所擬在 2021 年 1 月 17-19 日（17 日報到註冊）在深圳舉辦全球範圍的結構超滑科學與技術 ideas 的 Open Call 大會。之後，超滑所會和產生優秀 ideas 的人士進一步合作，利用超滑所的科研平臺，把這些 ideas 進一步發展、落實，最終產出開創性或者顛覆性的應用技術，進行產業化落地。

同時，我們也熱誠歡迎所有對我們的主題（包括結構超滑、相關學科和產業、和新科研模式探索）感興趣的人士加入我們的網絡興趣社區（即上文提到的超滑論壇），在論壇裡充分自由地探討交流。新 ideas 很可能會在論壇交流裡誕生（參見之前眾包科研的成功案例 Polymath 項目 10）。或者大家可以直接和我們聯繫（[e-mail]），以此建立長期合作關係。

我們在結構超滑深度科普文中，除了介紹超滑所正在研究的四項應用技術（作為對讀者的啟發），也詳細解說了結構超滑的科學原理，並且講解了結構超滑實驗現象與技術。鑑於摩擦和磨損問題在各個領域廣泛存在，我們相信，這幾項應用技術僅僅是冰山一角，結構超滑技術的其他可能應用超出我們團隊目前的想像。

我們認為，存在兩種頂尖級 ideas：一種是巧妙利用結構超滑技術，創造性地解決某個領域的現有痛點問題，最終滿足人們的需求；另一種是用天馬行空的想像力和洞察力，天才般地創造出新的應用領域，從而塑造人們的需求（例如賈伯斯的那些改變整個行業的 ideas）。我們堅信，想像力和創造力是人與生俱來的本能與天性。即使後天的學習、經驗、社會文化對這種天性有所遮蔽，我們也有辦法去除遮蔽，重現創造力天性的本來面目。我們嘗試的跨領域的深度科普文、Open Call 頭腦風暴、網絡論壇自由交流就是激發創造力的方法和途徑。讀者朋友，您可能來自不同的理工專業領域，可能是本科生，甚至可能是學有餘力、自學了一些本科課程的高中生，也可能是某領域的專家。無論您的背景和年齡如何，我們相信，您一定有潛力可以通過我們提供的這些途徑和方法，激發創造力，產生頂尖 ideas，最終通過開創性、顛覆性的技術重塑整個行業，改變世界。

我們相信，讀者朋友您的熱心參與和分享推薦，加上我們超滑所的努力嘗試，很可能會對中國目前的產業升級起重要的促進作用，助推第四次工業革命更快地實現，改變我們的生活。

注釋

注一：通常，一個物體的表面力和其表面積（近似正比於物體尺寸的平方）成正比，體積力（如重力）和體積（近似正比於尺寸的立方）成正比，所以表面力和體積力的比值 (即表體比) 和物體尺寸成反比，例如對於尺寸為 1 的物體，其表體比為，而對於尺寸為 的物體，其表體比高達 。因此，在宏觀大尺度下，表面力遠遠小於體積力，可以忽略不計。而在微納小尺度下，表面力則遠遠大於體積力，表面力的效應非常顯著。

參考文獻

1. 此圖已獲得圖片創作者章彥博授權使用.

2. Zheng, Q. et al. Self-retracting motion of graphite microflakes. Phys. Rev. Lett. 100, 1–4 (2008).

3. Liu, Z. et al. Observation of Microscale Superlubricity in Graphite. Phys. Rev. Lett. 108, 205503 (2012).

4. 鄭泉水，歐陽穩根，馬明，張首沫，趙治華，董華來，林立。超潤滑：「零」 摩擦的世界。科技導報 34, 12–26 (2016).

5. Hod, O., Meyer, E., Zheng, Q. & Urbakh, M. Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales. Nature 563, 485–492 (2018).

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Superlubricity.

7. http://ipingshan.sznews.com/content/2019-10/16/content_22547761.htm.

8. https://news.tsinghua.edu.cn/info/1003/18366.htm.

9. https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMjgzNTE4Mw==&mid=2247485267&idx=1&sn=8923b3ae4c2280c4574d8171c795a65a&chksm=e8263fd3df51b6c51f1cc3a7d75a0e9e67977d6c6e2a4f94654a0d4ed4333af9f8a29bd6916a&mpshare=1&scene=1&srcid=0903hwSRN83nDJDxHhtnZt7V&sharer_sharetime.

10. https://en.wikipedia.org/wiki/Polymath_Project.