清華大學(xué)在宏觀標(biāo)準(zhǔn)超光滑范疇獲得重大沖破 -編號(hào):HZ186bV

2015-02-15 20:13 來源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

　　為了便利對(duì)超長的碳納米管的操縱，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標(biāo)志技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)環(huán)境及掃描電鏡下對(duì)大尺度單根碳納米管的定位與操縱（相關(guān)工作發(fā)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(xiàn)象的觀察和測量提供了前提。

　　超潤滑(superlubricity) 是20世紀(jì)90年代早期由日本學(xué)者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也稱結(jié)構(gòu)潤滑(structural lubricity)，它是指當(dāng)晶體表面以非公度形式接觸時(shí)，有可能呈現(xiàn)界面摩擦和磨損多少乎為零的現(xiàn)象。從前二十年中所發(fā)現(xiàn)的超潤滑現(xiàn)象重要是在納米尺度和高真空條件下實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)宏觀尺度上的超潤滑不僅請(qǐng)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(jí)平坦，無缺陷與位錯(cuò)，如此刻薄的條件使得人們廣泛認(rèn)為大尺度下簡直不可能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)：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(nèi)層從管中抽出。

清華大學(xué)在宏觀尺度超潤滑范疇獲得重大沖破

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

　　清華消息網(wǎng)11月4日電（通信員龔華）近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科穿插翻新研究中央、北京大學(xué)信息學(xué)院協(xié)作，在超潤滑領(lǐng)域取得重大打破，在世界上首次檢測到了大氣環(huán)境下厘米以上長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象。所實(shí)現(xiàn)的超潤滑尺度比以前報(bào)道成果的最高值高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)所得到的摩擦剪切強(qiáng)度比以前報(bào)道結(jié)果的最低值降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)。相干結(jié)果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》（大氣環(huán)境下厘米級(jí)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(fā)表在國際納米領(lǐng)域威望學(xué)術(shù)期刊《做作—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。《天然—納米技術(shù)》還同期刊出了專題評(píng)論文章，邀請(qǐng)世界有名摩擦實(shí)踐專家、以色列特拉維夫大學(xué)的Michael Urbakh教授對(duì)這一重大發(fā)現(xiàn)給予評(píng)論。文章的第一作者為清華大學(xué)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(xué)顯微鏡下通過用幽微氣流吹動(dòng)碳納米管的方式察看到了碳納米管管壁之間疾速絕對(duì)活動(dòng)的巧妙景象，進(jìn)而在應(yīng)用掃描電鏡下的微納米把持平臺(tái)進(jìn)行雙壁碳納米管內(nèi)層的可控抽出,清華大學(xué)研修班，并丈量了管壁間的超低摩擦力。他們發(fā)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(guān)聯(lián)，即無論多長的碳納米管，其內(nèi)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(nèi)層抽出，比以前報(bào)道的實(shí)現(xiàn)超光滑的標(biāo)準(zhǔn)（約10微米）進(jìn)步了至少3個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的兩個(gè)名義之間的剪切強(qiáng)度是表征其摩擦力大小的主要參數(shù)，本研討工作中得到的碳納米管管壁之間的剪切強(qiáng)度只有2~3 Pa，比之前所測得的剪切強(qiáng)度最小值（0.04 Mpa）下降了至少4個(gè)數(shù)目級(jí)。

　　審稿人評(píng)估說：“這是一項(xiàng)有趣的、并且是激動(dòng)聽心的工作：首次從實(shí)驗(yàn)手腕上證明了大氣環(huán)境下的宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象！這項(xiàng)工作以其里程碑式的新鮮發(fā)現(xiàn)斷定無疑地證實(shí)了宏觀尺度超潤滑的存在，我認(rèn)為這是該工作最為重要和創(chuàng)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(xiàng)工作在發(fā)展試驗(yàn)技術(shù)方面所做出的原創(chuàng)性的工作。我以為這項(xiàng)工作對(duì)研究和把持摩擦力做出了重大的、發(fā)明性的奉獻(xiàn)；并且深信，這項(xiàng)工作將會(huì)激發(fā)超潤滑研究領(lǐng)域越來越多的實(shí)驗(yàn)研究和技巧利用”。

　　這項(xiàng)工作為下一代全碳電子器件構(gòu)筑、超潤滑機(jī)械開發(fā)以及超高速微納米機(jī)械、電子器件制備供給了基礎(chǔ)。

　　摩擦現(xiàn)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(jī)能源由摩掠過程耗費(fèi)；產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家因摩擦磨損造成的喪失高達(dá)GDP的5%-7%。在微觀尺度，因?yàn)橘Y料比表面積增大，使得摩擦現(xiàn)象更加明顯。因而，跟著古代制作技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)體系尺寸縮小到微納米尺度時(shí)，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(shí)現(xiàn)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(gòu)造上看是由石墨烯卷曲而成，因?yàn)槭⿲娱g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(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；另外，碳納米管的內(nèi)外管壁之間的手性結(jié)構(gòu)是彼此獨(dú)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(dāng)碳納米管存在哪怕只有一個(gè)原子級(jí)別的缺陷時(shí)，其管壁間摩擦力就會(huì)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(jí)完善結(jié)構(gòu)的碳納米管。經(jīng)由近十年的盡力，魏飛教授團(tuán)隊(duì)在碳納米管的制備方面取得了一系列突破，制備出了長達(dá)半米長的碳納米管，并且證明了碳納米管在長達(dá)數(shù)厘米的范疇內(nèi)沒有任何缺點(diǎn)（相關(guān)工作曾屢次發(fā)表在《進(jìn)步材料》(Advanced Materials)、《美國化學(xué)會(huì)—納米》（ACS Nano）、《材料化學(xué)》(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。