b体育郑泉水团队在纳米结构表面实现稳定的结构超滑状态—新闻—科学网
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发表时间:
2024-04-05
清华资讯网5月26日电 近日，清华年夜学微纳米力学与多学科交织立异研究中央郑泉水b����院士研究组于布局超滑技能相干研究范畴取患上主要进展，该研究接纳巧妙的试验设计，经由过程于转移至纳米布局外貌上的单晶石墨片中央施加集中力，实现石墨片边沿的翘曲，消弭石墨片边沿与基板之间的强彼此作用，进而于年夜气情况下实现了微米级石墨薄片以及纳米布局硅外貌之间稳健的布局超滑状况。研究不只应战了磨擦学以及布局超滑的传统理解，即较粗拙的外貌会致使更高的磨擦并致使磨损，并且还证实了具备单晶外貌的石墨片于无边沿接触的前提下，可以与任何非范德瓦尔斯质料实现稳健的布局超滑状况。此外，该研究提供了一种通用的外貌改性要领，鞭策布局超滑技能于年夜气情况中患上以广泛运用。
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超滑石墨片以及两种硅外貌的磨擦力丈量。（a）丈量石墨/硅界面磨擦力的试验装配示用意。将硅安稳地固定于压电陶瓷换能器 （PZT）平台上，其上放置了带有Au盖的石墨片。法向力以及侧向力是经由过程将原子力显微镜（AFM）探针尖端压于Au盖顶部来施加的。当PZT载物台以速率v来去运动时，AFM探针尖端将拖拽石墨片于硅上来去滑动。（b）试验装配的光学显微图象。（c）以及（e）别离是原子级平滑硅外貌以及纳米布局硅外貌的外貌描摹。（d）以及（f）别离为石墨片于原子级平滑硅外貌以及纳米布局硅外貌滑动时的侧向力旌旗灯号，滑动位移幅度为1μm，速率为2 μm/s，法向力为20.04μN。
磨擦以及磨损是天然界耦合于一路的两种基本物理征象，于机械体系中形成了伟大的能源华侈、情况污染以及部件妨碍，致使一多量要害技能难以霸占，例如基在平面运动情势的微电机体系、微型呆板人等。据统计，汽车中化石燃料提供的能量有近三分之一被磨擦耗损失。而于微不雅世界中，基在标准效应，界面磨擦以及磨损将成为与其他效应比拟最主要的问题之一，从而致使器件极为轻易掉效，靠得住性低，难以走向批量化运用。虽然无机油等液体润滑剂于现实运用中对于磨擦磨损有很年夜的按捺作用，但于强约束以及极度外部前提下，例如高外部载荷、高温和存于化学污染或者于真空情况中，液体润滑将会掉效。而且，基在液体内部剪切的润滑于纳米标准上因为粘度会年夜年夜增长，也会致使掉效，这将很难运用在微不雅场景，例如微电机体系、微型传感器、微型呆板人等。是以，要解决上述问题，就需要一种从素质物理特征上削减磨擦、消弭磨损的有用技能，而不是引入其他直接物资作为磨擦副。
布局超滑（Structural Superlubricity）指的是两个彻底接触的固体外貌于滑动历程中，连结险些为零的磨擦力以及零磨损的状况，为上述应战提供了一种倾覆性的解决方案。2012年郑泉水院士团队第一次于年夜气情况中以每一秒量级的速率实现了微米标准布局超滑，开创告终构超滑技能。随后，团队对于高速布局超滑（到达293）的摸索进一步引发了学术研究范畴以及现实运用范畴的广泛乐趣。这些运用包孕基在布局超滑技能的超等微发机电以及电致弹簧谐振器，展示告终构超滑技能的多种潜力。于深圳市当局以及深圳市坪山区当局资助下，郑泉水院士团队带领成立了全世界第一个布局超滑技能研究机构——深圳清华年夜学研究院超滑技能研究所。
值患上留意的是，于近来的进展中，布局超滑状况已经被证实可以于单晶石墨片以及各类非范德瓦尔斯质料之间实现，例如类金刚石碳（DLC）、硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al3O2）、氮化硅（Si3N4）等，这显著拓宽告终构超滑技能于现实运用中的质料选择。然而，因为石墨片不成防止存于边沿缺陷，这将致使石墨于原子级平展的硅外貌上滑动时，存于必然几率的高磨擦（ 5 μN）以及发生响应的磨损，致使布局超滑状况掉效。是以，该研究设计了一种外貌润色工艺，制备了匀称的纳米布局阵列，研究职员发明单晶石墨片与纳米布局硅外貌之间可以实现不变的布局超滑状况，磨擦力一直小在1μN，而且没有可不雅察到的原子级磨损。经由过程具体的表征以及模仿，研究职员发明致使上述优秀机能的机制是纳米布局外貌的石墨片边沿于集中力作用下会发生翘曲，从而消弭了石墨片边沿与衬底之间的强彼此作用，进而消弭了磨损，实现了不变的布局超滑状况。
该研究以“具备高电流密度以及超长命命的微型肖特基超滑微发机电”（Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface）为题，于线揭晓在《天然通信》（Nature Co妹妹unications）上。清华年夜学微纳米力学中央、清华年夜学机械项目系进步前辈设备磨擦学国度重点试验室玻士生黄轩宇为该论文第一作者，清华年夜学机械项目系马明副传授以及清华年夜学、清华年夜学微纳米力学与多学科交织立异研究中央郑泉水院士为该论文的配合通信作者，论文互助者还包孕玻士生李起飞、王进玻士、夏凯硕士、玻士生谭子裴、彭德利玻士、向小健玻士、清华年夜学刘彬传授。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
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