「據調查，大概人類一次性能源的三分之一是通過摩擦所消耗掉的，而且80%的裝備都因為磨損失效。」
雒建斌
中國科學院院士、清華大學機械工程學院院長雒建斌
2020年度陳嘉庚科學獎技術科學獎
我想分享一個與日常生活相關的話題，關於摩擦能否消失？
首先，我要介紹為什麼要研究摩擦學？摩擦學是什麼？
諾貝爾獎獲得者費曼曾經說過：關於摩擦，雖然做了很多實驗，但是精確的摩擦實驗還很難，摩擦定理的分析還是不夠。
摩擦為什麼會這麼複雜呢？
實際上，摩擦過程是可以用一個圖可以顯示出來的，它會發射出各種光、等離子體甚至X光，還有摩擦化學反應、物體的變形等。
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走進摩擦學
摩擦是一個非常複雜的過程，什麼是摩擦學呢？
1966年，英國政府當時的爵士 Peter Jost，在英國做過一個調查，內容是：摩擦、磨損、潤滑會對英國造成多大的損失？
調查結束，Jost做出了一個非常著名的Jost報告。他把摩擦、磨損、潤滑三個方面的聚集起來，創立了一個新詞彙，叫做Tribology，就是摩擦學。
他認為，摩擦學是一門研究相互運動、相互作用的對偶表面的理論實踐的科學技術。那麼，摩擦學研究，到底有什麼意義呢？
實際上，摩擦學不僅在航空航天領域，在晶片製造、生物、高鐵、軍事領域也有很多應用。
據調查，一次性能源的消耗，大概有三分之一是通過摩擦消耗掉的，而且80%的裝備都因為磨損而失效。
摩擦和磨損共同造成的損失，一般是一個國家GDP的2%到7%。
假設，我們僅以5%來計算。2019年，我國GDP是99萬億元，因為摩擦和磨損造成的損失達到了4.95萬億元，這是一個非常大的數字。
摩擦的起源
要研究摩擦，第一個大家想要了解的就是，摩擦到底是怎麼起源的？
最早的摩擦起源是鑽木取火。拿個硬木頭，在軟木頭上摩擦，最後起火。
人類控制了火，從野蠻走向了文明。後來就有了雪橇，然後就是車的出現。
滾動摩擦代替滑動摩擦，使人類生產有了很大的進步。但是人類開始真正科學地研究摩擦問題，實際上是從15世紀達·文西開始的。
1967年，達·文西的手稿被發現了，當時他已經開始研究摩擦，提出了摩擦力大概是自重的四分之一。
但是真正上升到科學層次，探索摩擦的起源，是在17世紀。
阿孟頓是法國的物理學家，他當時在法國科學院作了一個報告：認為摩擦力只與載荷有關，與接觸面積沒關係，當時在科學界引起了非常大的震動。
一般人都認為面積越大，摩擦肯定越大。摩擦是由表面的凹凸不平引起的。為什麼他認為摩擦跟面積沒關係，跟正壓力有關係呢？
後來，另外一個英國的物理學家提出摩擦跟凹凸沒關係，跟分子間的黏附力有關係。
他做了一個很好的實驗，將一個小鉛球和一個大鉛球都切成平面，把兩個面對摩，這個小鉛球就可以把大鉛球拉起來，而且掉不下來。
分子間的黏著力、吸附力非常強，摩擦就是因為這個造成的。
後來到了18世紀，物理學家庫侖做了一個非常有名的裝置實驗，被稱為近代物理十大實驗之一。
他認為，摩擦是由凹凸不平的表面嵌在一塊兒造成的，並且提出了摩擦學的古典四大定律：摩擦跟正壓力有關係；摩擦與接觸面積沒關係；最大的靜摩擦力會大於動摩擦力；摩擦力大小與速度沒關係。
一方面，摩擦力跟面積沒關，與接觸壓力有關；另一方面，摩擦與分子的黏著力有關，與接觸面積有關。所以，這兩個理論各說其詞。
到了1939年，蘇聯學者克拉蓋爾斯基把這兩個理論統一了。他認為摩擦力等於兩個力之和，一部分是正壓力造成摩擦力，另一部分是分子間吸附造成的摩擦力。
但是還沒把本質講清楚。後來到了五十年代，劍橋大學兩位教授教授Bowden和Tabor一起合作，他們認為摩擦力是與真實接觸面積有關，與名義接觸面積無關。
他認為，摩擦力主要取決於真實接觸面積，因為正壓力增大，真實接觸面積變大，所以摩擦力增高了。
他從機理上把這兩個理論統一在一起。這就是在宏觀世界的探討。
1929年，也有科學家從微觀世界去探討它，非常著名的成果就是湯姆森（Tomlinson）模型。
C和B是兩個原子，另外一個原子是D，如果D原子離B原子比較遠，D原子從B原子的旁邊走近，D原子會把B原子靠近拉，當D原子遠離B原子時，B原子又會彈回來。
這是一個穩定的過程，沒有任何能量消耗，也就不可能有摩擦。
但是，如果這個D原子，離B原子比較近，它走近的時候會把B原子拉過來，離去時候，B原子突然回彈過去引起B原子彈性振動。這就相當於B原子在不斷地振動，一旦振動就消耗了能量，就有摩擦損失。
由此，他提出了摩擦起源的原子模型，但是這個模型提出來後，沒辦法得到驗證。
1986年，葛·賓尼（Gerd Binning）發明了原子力顯微鏡，由於原子力顯微鏡的發明，賓尼獲得了諾貝爾獎。有了原子力顯微鏡，就可以研究原子級的摩擦了，湯姆森模型才基本上被證實了。
後來超快雷射被發現，人們才能研究摩擦過程中的聲子耗散、電子耗散，以及結構的演變。
右下角的圖，就是我們研究缺陷對電子耗散的影響。我們可以看見，電子耗散也確實跟摩擦和材料有關係。
研究摩擦力的所有科學家，都有一個最大的夢想，就是能不能把摩擦控制住，或者把摩擦去除掉，這就引起了另外一個話題：超滑可否實現的問題。
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超滑能否實現？
1990年的時候，日本學者Hirano做了一個理論分析，他認為兩個原子級光滑的表面，當上下表面的原子處於公度的時候就有摩擦存在，當非公度的時候就不會有摩擦存在。
那麼，什麼叫公度？什麼叫非公度？
比如上表面兩個原子的原子間距是2，下表面的原子間距是2或者4，相當於下A圖，由於兩個平面之間有公約數，即為表面處於公度狀態，運動過程中就有能量損耗。
如果一個表面的原子間距是2，另一個表面的原子間距是3，沒有公約數，插不進去，而在表面懸著，那麼它移動過程中摩擦就會消失了，這是理論計算的結果，其本質與Tomlinson模型一致。
後來做了一個實驗，確實是非公度的時候，摩擦力會大幅度降低或者接近於零，但物理學家對它還是有一定的懷疑，希望它能進一步得到證實。
但是做摩擦學研究的人開始非常關注這個問題：超滑是否能實現？摩擦能否消失？
工程上有個定義，摩擦係數只要有數量級上的降低，就叫做超滑。
我們在低溫狀態下，用鋼和二硫化物對摩，實現了萬分之一的摩擦係數，大概比常規摩擦係數能降低兩個數量級，這就出現了超滑。
我們在二維材料上還做了一個工作，就是用二氧化矽的球，採取CVD的辦法，讓其表面生長了幾層石墨烯，然後將長了石墨烯層的球，再粘在旋臂上。
這個旋臂是帶石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或其他材料。我們發現,當二氧化矽球對二氧化矽表面的時候，摩擦係數非常大，係數大概在0.6左右。
如果是二氧化矽表面包覆石墨烯，與石墨烯對摩，或者與高取向石墨對摩，這使得摩擦係數降到千分之三了，實現了超滑，這也被譽為實現固體超滑的六大方法之一。
後來，在真空下的摩擦係數降到十萬分之二，這是非常有意義的事。
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液體能否實現超滑？
我們實現了固體超滑，那麼在液體上，能否實現超滑呢？
大概在1938年的時候，英國物理學家就做過超流體，就是把He Ⅱ（氦）降到2.17K左右，也就是零下270多度左右。
科學家發現，這時He Ⅱ流體幾乎沒有摩擦流動了，它的黏度比水大概還小了接近一億倍，比水還容易流動，物理界稱之為超滑體，這也是一種超滑態。
但是，這在物理上叫超流，對於摩擦學來說沒什麼用。為什麼？
摩擦學界以降低摩擦為核心，因為其可以把能耗降下來，但是如果把系統溫度從常溫狀態下降到接近於絕對零度，就需要大量的能耗。
所以，在常溫下能不能實現超滑，這是我們非常關注的一個問題。
後來，以色列科學家在九十年代做出來了：在兩個雲母之間置入分子刷，再加上鹽水，就可以實現超滑了。
後來，日本人在兩個陶瓷表面加水，磨合了兩個多小時，也出現了超滑。
這兩個超滑現象的出現，推動了超滑的研究，但是大家還是覺得它離應用差得很遠。
1996年，我獲得第一個自然科學基金項目（當時博士剛畢業）做的就是超滑研究，希望在二氧化矽表面注入同樣的電荷，讓它形成一個同種電荷斥力場。
然後，誘導中間的液體分子形成排列，形成一個超低摩擦。結果我們注入同種電荷，當兩個表面一接觸，這兩個表面就吸在了一起，掰都掰不開。
這是為什麼？我們發現表面電荷發生了遷移，可以說我們的研究失敗了。
到了2008年，我們的學生有一次把酸奶帶到實驗室，他發現酸奶的有些成分，跟以色列做的超滑有點相似，他把酸奶加到實驗機上，發現摩擦係數一下降到了千分之二左右。
他馬上匯報，這是不是意味著，超滑出現了？
我們就開始研究酸奶，分了幾個研究組，去研究酸奶裡的乳酸菌、乳酸、蛋白質、微量元素對超滑的影響。
有一個學生因為天天研究乳酸菌的影響，整天在顯微鏡下看乳酸菌，到現在基本上不怎么喝酸奶了。
我們通過實驗發現，酸奶一會可以實現超滑，一會又實現不了超滑。實驗機反向旋轉以後，超滑就消失了，酸奶超滑也是微現象。
雖然這次又做失敗了，但是我們發現了酸奶對摩擦係數的突降是真的。
後來我們研究它為什麼會出現突降，在磺酸和丙三醇混合時就實現了超滑，非常穩定，大概磨合了十分鐘左右，摩擦係數就能達到千分之二點八。
有一次我在杭州吃蓴菜，發現蓴菜用筷子怎麼也夾不住，只能用勺子舀著吃。
我就讓學生做做實驗，看有沒有超滑現象，發現它的摩擦係數達到千分之五，也是一種層狀的超滑材料。
磷酸是一種腐蝕劑，它有非常好的超滑性能。在超滑狀態的時候，基本上磨損也能接近於零，所以它是一個非常好的超滑現象。
這一下子給我們很大的啟迪，磷酸怎麼實現超滑的？它的機理是什麼？
一旦機理揭示出來，很多可能的超滑材料就會合成出來，所以我們的學生李津津在這方面，做了很重要的工作，發現了流體效應會形成超滑。
什麼是流體效應？
一個人踩著滑板能夠滑行，也是一種流體效應。流體動壓效應，可以把這個滑板給支撐起來。
有沒有非流體效應的超滑？
我們通過實驗發現，用聚四氟乙烯和藍寶石進行配對的時候，不用經過任何磨合過程，也不用形成任何動壓效應，就會有超滑現象的存在。
超滑的摩擦係數跟速度基本上沒關係，是什麼原因呢？
有兩種機理，其中一種叫做水合機理，水合作用相當於一個金屬正離子吸附水分子在周圍形成了水合層，水合作用越強的液體，就會發現超滑形成。
而水合作用的距離，作用力非常短，而實驗中膜厚經常有幾十個納米，我們發現這可能跟雙電層有關。
雙電層也是兩個同等電荷形成斥力，分擔了一部分壓力。
從實驗中可以看出，紅色的實驗曲線有雙電層（斥）力，幾乎沒有範德華引力過程，直接進入了斥力範圍。
常規的會有範德華引力，雙電層（斥）力也可實現超滑，我們就可以根據超滑機理，控制超滑的出現和消失。
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超滑的作用機理
歸納起來，超滑大概有三種機理：雙電層作用、流體動壓效應和水合作用，這是世界上公認的三大機理。
其中的前兩種超滑機理，是我們這個研究組提出來的。
後來，我們對一大批液體，其中包括酸溶液、鹼溶液、酸+醇溶液、油基，都實現了超滑。
當超滑實現後，承壓的範圍只能到300兆帕。然而，要真正在工業上產生大量的應用，就要把它的承載能力提高，提高到1吉帕以上。
我們又做了新的嘗試，提出固液耦合超滑，把石墨烯加強表面修飾，放到液體裡把黑鱗表面修飾，看能不能提高承載能力？
後來，我們分別提高到600兆帕和1吉帕以上，最終實現了一個非常高的承載能力的超滑。
在國際上，現在有這三大研究組進行對比。一個是以色列的Klein小組，一個是日本的Adachi小組，還有一個是我們小組。
從溶液看，我們的體系已經非常龐大了。從承載能力看的話，Klein小組大概到70兆帕，日本到100兆帕，我們現在到了1吉帕以上，實現了數量級的提高。
在液體超滑論文方面，國內主要是我們研究組做的。大概在2005年，我國就跟世界其他國家的總和差不多了，現在我們已經超過世界其他國家的總和了。
客觀上說，超滑想要推向應用，必須解決這個矛盾：減少摩擦，需要弱的分子間作用；承受載荷，需要強的分子間作用。否則在載荷的作用下，液體就流到外邊，潤滑就失效了。
所以，這就是矛盾。一個需要弱的分子間作用，而另一個需要強的分子間作用。
如何來解決這個矛盾，才是超滑應用研究的關鍵。如果解決不了，超滑的比薩斜塔就會倒掉。
超滑應用到底有什麼價值？
有人做過調查，如果全球轎車僅是發動機的摩擦係數降低到18%，每年可以節約5400多億人民幣的燃油損失，以及減少2.9億噸的二氧化碳排放。
如果不僅僅是18%，而是呈數量級的降低呢？那麼應用會非常的廣泛，意義重大。
所以，超滑將來可以在航天工業、交通工業、海洋工業等領域，有重大的應用前景。
這幅圖說的是，在公元前1800多年前，當時人們用了加潤滑技術，加滾動技術，再加成千的人拉動，最終移動了一個60噸大雕塑。
我們假設，如果超滑實現摩擦係數降到萬分之一，那麼雕塑的拉力也僅有6公斤，一個小孩可以拽著它跑。
從人類發展來說，鑽木取火使人類從野蠻走向了文明，滾動摩擦代替滑動摩擦，就是現代軸承的發展，催生了現代工業。
那麼，將來近零摩擦和近零磨損就會有更廣遠的前景。超滑的應用這扇大門已經打開了並逐步向工業界推廣。
原標題：摩擦力會消失嗎？| 雒建斌
來源：格致論道講壇
編輯：Eric