應(yīng)Nature雜志邀請，鄭泉水教授作為兩位通信作者之一，和三位國外合作者在Nature上發(fā)表了題為“跨尺度的結(jié)構(gòu)超滑和超低摩擦”（Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales）的展望綜述(Perspective) ，綜述了結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域的過去、現(xiàn)在和未來發(fā)展趨勢。文章系統(tǒng)回顧了結(jié)構(gòu)超滑從納米尺度到宏觀尺度的里程碑發(fā)展，并分別介紹了納米尺度、微米尺度、厘米尺度的結(jié)構(gòu)超滑以及結(jié)構(gòu)超滑在社會生活方方面面的應(yīng)用現(xiàn)狀、機遇和挑戰(zhàn)。
摩擦和磨損涉及力學(xué)、材料、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科和機械、能源、環(huán)境、醫(yī)療等工程技術(shù)，對經(jīng)濟和人類社會影響巨大。據(jù)統(tǒng)計，全球約25%的一次性能源浪費在摩擦過程中，80%的機械部件損壞來自于磨損（單此一項就導(dǎo)致工業(yè)化國家經(jīng)濟損失約占GDP的5%～7%）。對未來影響更大的是，摩擦磨損使得許多夢寐以求、潛力無限的高端技術(shù)無法實現(xiàn)。
有沒有可能實現(xiàn)近零摩擦和磨損呢？
圖1. 結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域的里程碑事件
兩個固體表面直接接觸并相對滑移運動，摩擦磨損主要源于表面本身的粗糙性、表面之間的夾雜物和化學(xué)鍵等。
早在1983年佩拉爾（M. Peyrard）和奧布里（S. Aubry）就利用一個十分簡單、只含兩個彈簧系數(shù)的Frenkel-Kontorova模型（簡稱FK模型），從理論上預(yù)測了兩個原子級光滑且非公度接觸的范德華固體表面（如石墨烯、二硫化鉬等二維材料表面）之間存在幾乎為零（簡稱“零”）摩擦、磨損的可能。近十年后平野（M.Hirano）等人通過FK模型的計算，再次提出了類似的預(yù)測，將其命名為超潤滑（Superlubricity），并作了多次實驗嘗試。
此后，馬丁（J.M. Martin）等于1993年實驗觀察到了摩擦系數(shù)低達10-3量級的超低摩擦現(xiàn)象。由于長期沒有證實佩拉爾等預(yù)測的超潤滑概念，人們漸漸地將超低摩擦現(xiàn)象稱作為超潤滑，而將前者改稱為結(jié)構(gòu)潤滑（Structural Lubricity）。
人類歷史上第一次觀察到結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）是在2004年，由荷蘭科學(xué)院院士弗倫肯（J. Frenken）領(lǐng)銜的團隊在納米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的條件下觀察到石墨-石墨烯界面超滑。由于實驗條件過于苛刻，無法投入實用。并且，包括弗倫肯本人在內(nèi)的許多科學(xué)家都不僅認為，而且從理論上“證明”納米以上尺度結(jié)構(gòu)超滑難以實現(xiàn)。
圖2. 納米尺度的結(jié)構(gòu)超滑
2008年，清華大學(xué)工程力學(xué)系、微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心暨摩擦學(xué)國家重點實驗室的鄭泉水教授團隊在世界上首次實驗實現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑。2012年，鄭泉水團隊證實了這是結(jié)構(gòu)超滑，從而顛覆了人們的有關(guān)認識。弗倫肯（J.Frenken）等在《化學(xué)世界》（Chemistry World）（2012）上評價：“這是一個聰明的、經(jīng)過仔細設(shè)計且極具勇氣的實驗。該現(xiàn)象發(fā)生在介觀尺度，立刻將這個現(xiàn)象的研究從學(xué)術(shù)興趣轉(zhuǎn)化到實際應(yīng)用（“immediately brings it from academic to practical interest”）。
此后，全球性的結(jié)構(gòu)超滑和極低摩擦研究都進入了一個加速增長期，研究者們在不同的系統(tǒng)中都觀測到了結(jié)構(gòu)潤滑現(xiàn)象。清華大學(xué)除了以鄭泉水教授為代表的研究團隊在結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位之外，以雒建斌院士為代表的研究團隊在固-液界面極低摩擦研究領(lǐng)域同樣處于國際領(lǐng)先地位。
圖3. 微米尺度的結(jié)構(gòu)超滑
本文另外一位通訊作者為以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)學(xué)院奧德·霍德（Oded Hod）教授，三位國外合作者分別為以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長邁可·烏爾巴赫（Michael Urbakh）教授和奧德·霍德教授，以及瑞士巴塞爾大學(xué)物理系的厄恩斯特·邁耶（Ernst Meyer）教授。他們?nèi)环謩e采用理論模型、分子動力學(xué)/第一原理計算、和實驗方法研究納米尺度結(jié)構(gòu)超滑。
圖4. 不同尺度的結(jié)構(gòu)超滑的實際應(yīng)用舉例
作者簡介：
鄭泉水，1989年獲清華大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為清華大學(xué)教授。2009年起擔(dān)任清華學(xué)堂錢學(xué)森班創(chuàng)辦首席教授；2010年起擔(dān)任清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心創(chuàng)辦主任。曾任清華大學(xué)工程力學(xué)系系主任、校學(xué)術(shù)委員會秘書長。曾任中國力學(xué)學(xué)會旗艦雜志《力學(xué)學(xué)報》和Acta Mechanica Sinica主編、中國力學(xué)學(xué)會學(xué)會副理事長。曾擔(dān)任南昌大學(xué)高等研究院創(chuàng)辦院長、清華大學(xué)-以色列特拉維夫大學(xué)XIN中心創(chuàng)辦主任。
鄭泉水目前的興趣集中在結(jié)構(gòu)超滑（近零摩擦、零磨損）、極端疏水、和人工智能張量底層技術(shù)的基礎(chǔ)研究和源頭創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，以及拔尖創(chuàng)新型學(xué)生的培養(yǎng)。尤其是他在結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域突破性工作，被評價為“立刻將這個現(xiàn)象的研究從學(xué)術(shù)興趣轉(zhuǎn)化到實際應(yīng)用”，“極大地影響和推進我們的摩擦學(xué)領(lǐng)域”。在這些領(lǐng)域，他獲得過國家自然科學(xué)獎二等獎兩次（2004，2017，均為第一獲獎人），國家級教學(xué)成果二等獎和一等獎各一次（2005，2018）。所指導(dǎo)的博士生中有三名獲得了全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文。
代表性學(xué)術(shù)成果
[1]Zheng, Q.-S., Jiang, Q.: Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators.Physical Review Letters 88, 045503 (2002).
[2]Zheng, Q.-S. et al.: Self-retracting motion of graphite microflakes. PhysicalReview Letters 100,.067205 (2008).
[3]Liu, Z. et al.: Observation of microscale superlubricity in graphite. PhysicalReview Letters 108, 205503 (2012).
[4]Yang, J. et al.: Observation of high-speed microscale superlubricity ingraphite. Physical Review Letters 110, 255504 (2013).
[5]Zhang, R. et al.: Superlubricity in centimetres-long double-walled carbonnanotubes under ambient conditions. Nature Nanotechnology 8, 912-916 (2013).
[6]Song, Y. et al.: Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal BoronNitride layered heterojunctions. Nature Materials 17, 894–899 (2018).
[7]Hod, O. et al.: Structural superlubricity: Frictionless motion across thelength-scales. Nature 2018, 563, 485–492.
[8]Zheng, Q.-S. et al.: Effects of hydraulic pressure on the stability andtransition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir 21,12207-12212 (2005).
[9]Li, Y.-S., et al.: Monostable superrepellent materials. PNAS 114, 3387–3392(2017).
[10]Zheng, Q.-S. et al.: Small is beautiful, and dry. Science China - Physics,Mechanics & Astronomy 53, 2245–2259 (2010).
[11]Zheng, Q.-S.: On transversely isotropic, orthotropic and relative isotropicfunctions of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors: Parts I –V. International Journal of Engineering Science 31, 1399-1409; 1411-1423;1425-1433; 1435-1443; 1445-1453 (1993).
[12]Zheng, Q.-S.: Theory of representations for tensor functions — A unifiedinvariant approach to constitutive equations. Applied Mechanics Review 47,545-587 (1994).
注：本文綜合整理自清華大學(xué)鄭泉水教授官方介紹、Nature官網(wǎng)等
