所有研究摩擦的科学家，都有一个梦想：让摩擦消失

我想分享一个与日常生活相关的话题，关于摩擦能否消失？

首先，我要介绍为什么要研究摩擦学？摩擦学是什么？

诺贝尔奖获得者费曼曾经说过：关于摩擦，虽然做了很多实验，但是精确的摩擦实验还很难，摩擦定理的分析还是不够。

摩擦为什么会这么复杂呢？

实际上，摩擦过程是可以用一个图可以显示出来的，它会发射出各种光、等离子体甚至X光，还有摩擦化学反应、物体的变形等。

一、走进摩擦学

摩擦是一个非常复杂的过程，什么是摩擦学呢？

1966年，英国政府当时的爵士 Peter Jost，在英国做过一个调查，内容是：摩擦、磨损、润滑会对英国造成多大的损失？

调查结束，Jost做出了一个非常著名的Jost报告。他把摩擦、磨损、润滑三个方面聚集起来，创立了一个新词汇，叫做Tribology，就是摩擦学。

他认为，摩擦学是一门研究相互运动、相互作用的对偶表面的理论实践的科学技术。那么，摩擦学研究，到底有什么意义呢？

实际上，摩擦学不仅在航空航天领域，在芯片制造、生物、高铁、军事领域也有很多应用。

据调查，一次性能源的消耗，大概有三分之一是通过摩擦消耗掉的，而且80%的装备都因为磨损而失效。

摩擦和磨损共同造成的损失，一般是一个国家GDP的2%到7%。

假设，我们仅以5%来计算。2019年，我国GDP是99万亿元，因为摩擦和磨损造成的损失达到了4.95万亿元，这是一个非常大的数字。

二、摩擦的起源

要研究摩擦，第一个大家想要了解的就是，摩擦到底是怎么起源的？

最早的摩擦起源是钻木取火。拿个硬木头，在软木头上摩擦，最后起火。

人类控制了火，从野蛮走向了文明。后来就有了雪橇，然后就是车的出现。

滚动摩擦代替滑动摩擦，使人类生产有了很大的进步。但是人类开始真正科学地研究摩擦问题，实际上是从15世纪达·芬奇开始的。

1967年，达·芬奇的手稿被发现了，当时他已经开始研究摩擦，提出了摩擦力大概是自重的四分之一。

但是真正上升到科学层次，探索摩擦的起源，是在17世纪。

阿孟顿是法国的物理学家，他当时在法国科学院作了一个报告：认为摩擦力只与载荷有关，与接触面积没关系，当时在科学界引起了非常大的振动。

一般人都认为面积越大，摩擦肯定越大。为什么摩擦跟面积没关系，跟正压力有关系呢？经过探讨，他认为，摩擦是由表面的凹凸不平造成的。

后来，另外一个英国的物理学家提出摩擦跟凹凸没关系，跟分子间的黏附力有关系。

他做了一个很好的实验，将一个小铅球和一个大铅球都切成平面，把两个面对摩，这个小铅球就可以把大铅球拉起来，而且掉不下来。

分子间的黏着力、吸附力非常强，摩擦就是这个造成的。

到了18世纪，物理学家库仑做了一个非常有名的装置实验，被称为近代物理十大实验之一。

他认为，摩擦是由凹凸不平的表面嵌在一块儿造成的，并且提出了摩擦学的古典四大定律：摩擦跟正压力有关系；摩擦与接触面积没关系；最大的静摩擦力会大于动摩擦力；摩擦力大小与速度没关系。

一方面，摩擦力跟面积没关，与接触压力有关；另一方面，摩擦与分子的黏着力有关，与接触面积有关。所以，这两个理论各说其词。

到了1939年，苏联学者克拉盖尔斯基把这两个理论统一了。他认为摩擦力等于两个力之和，一部分是正压力造成摩擦力，另一部分是分子间吸附造成的摩擦力。但是还没把本质讲清楚。

到了五十年代，剑桥大学两位教授Bowden和Tabor一起合作，他们认为摩擦力与真实接触面积有关，与名义接触面积无关。

他认为，摩擦力主要取决于真实接触面积，因为正压力增大，真实接触面积变大，所以摩擦力增高了。

他从机理上把这两个理论统一在一起。这就是在宏观世界的探讨。

1929年，也有科学家从微观世界去探讨它，非常著名的成果就是Tomlinson模型。

C和B是两个原子，另外一个原子是D，如果D原子离B原子比较远，D原子从B原子的旁边走近，D原子会把B原子靠近拉，当D原子远离B原子时，B原子又会弹回来。

这是一个稳定的过程，没有任何能量消耗，也就不可能有摩擦。

但是，如果这个D原子，离B原子比较近，它走近的时候会把B原子拉过来，离去的时候，B原子突然回弹过去引起B原子弹性振动。这就相当于B原子在不断地振动，一旦振动就消耗了能量，就有摩擦损失。

由此，他提出了摩擦起源的原子模型，但是这个模型提出来后，没办法得到验证。

1986年，葛·宾尼（Gerd Binning）发明了原子力显微镜，由于原子力显微镜的发明，宾尼获得了诺贝尔奖。有了原子力显微镜，就可以研究原子级的摩擦了，Tomlinson模型才基本上被证实了。

后来，超快激光被发现，人们才能研究摩擦过程中的声子耗散、电子耗散，以及结构的演变。

右下角的图，就是我们研究缺陷对电子耗散的影响。我们可以看见，电子耗散也确实跟摩擦和材料有关系。

研究摩擦力的所有科学家，都有一个最大的梦想，就是能不能把摩擦控制住，或者把摩擦去除掉，这就引起了另外一个话题：超滑可否实现的问题。

三、超滑能否实现？

1990年的时候，日本学者Hirano做了一个理论分析，他认为两个原子级光滑的表面，当上下表面的原子处于公度的时候就有摩擦存在，当非公度的时候就不会有摩擦存在。

那么，什么叫公度？什么叫非公度？

比如上表面两个原子的原子间距是2，下表面的原子间距是2或者4，相当于下A图，由于两个平面之间有公约数，即为表面处于公度状态，运动过程中就有能量损耗。

如果一个表面的原子间距是2，另一个表面的原子间距是3，两个数相除是无理数，插不进去，而在表面悬着，那么它移动过程中摩擦就会消失了，这是理论计算的结果，其本质与Tomlinson模型一致。

后来，做了一个实验，确实是非公度的时候，摩擦力会大幅度降低或者接近于零，但物理学家对它还是有一定的怀疑，希望它能进一步得到证实。

但是做摩擦学研究的人开始非常关注这个问题：超滑是否能实现？摩擦能否消失？

工程上有个定义，摩擦系数只要有数量级上的降低，就叫做超滑。

我们在低温状态下，用钢和二硫化物对摩，实现了万分之一的摩擦系数，大概比常规摩擦系数能降低两个数量级，这就出现了超滑。

我们在二维材料上还做了一个工作，就是用二氧化硅的球，采取CVD的办法，让其表面生长了几层石墨烯，然后将长了石墨烯层的球，再粘在旋臂上。

这个旋臂是带石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或其他材料。我们发现，当二氧化硅球对二氧化硅表面的时候，摩擦系数非常大，系数在0.6左右。

如果是二氧化硅表面包覆石墨烯，与石墨烯对摩，或者与高取向石墨对摩，就使得摩擦系数降到千分之三，实现超滑，这也被誉为实现固体超滑的六大方法之一。

后来，在真空下的摩擦系数降到十万分之二，这是非常有意义的事。

四、液体能否实现超滑？

我们实现了固体超滑，那么在液体上，能否实现超滑呢？

大概在1938年的时候，苏联物理学家Kapitza就做过超流体，把He Ⅱ（氦）降到2.17K左右，也就是零下270多度左右。

科学家发现，这时He Ⅱ流体几乎没有摩擦流动了，它的黏度比水还小了接近一亿倍，比水还容易流动，物理界称之为超流体，这也是一种超滑态。

但是，这在物理上叫超流，对于摩擦学来说没什么用。为什么？

摩擦学界以降低摩擦为核心，因为其可以把能耗降下来，但是如果把系统温度从常温状态下降到接近于绝对零度，就需要大量的能耗。

所以，在常温下能不能实现超滑，这是我们非常关注的一个问题。

后来，以色列科学家在九十年代做出来了：在两个云母之间置入分子刷，再加上盐水，就可以实现超滑了。

后来，日本人在两个陶瓷表面加水，磨合了两个多小时，也出现了超滑。

这两个超滑现象的出现，推动了超滑的研究，但是大家还是觉得它离应用差得很远。

1996年，我获得的第一个自然科学基金项目（当时博士刚毕业）做的就是超滑研究，希望在二氧化硅表面注入同样的电荷，让它形成一个同种电荷斥力场。

然后，诱导中间的液体分子形成排列，形成一个超低摩擦。结果我们注入同种电荷，当两个表面一接触，这两个表面就吸在了一起，掰都掰不开。

 

这是为什么？我们发现表面电荷发生了迁移，可以说我们的研究失败了。

到了2008年，我们的学生有一次把酸奶带到实验室，他发现酸奶的有些成分，跟以色列做的超滑有点相似，他把酸奶加到实验机上，发现摩擦系数一下降到了千分之二左右。

他马上汇报，这是不是意味着超滑出现了？

我们就开始研究酸奶，分了几个研究组，去研究酸奶里的乳酸菌、乳酸、蛋白质、微量元素对超滑的影响。

有一个学生因为天天研究乳酸菌的影响，整天在显微镜下看乳酸菌，到现在基本上不怎么喝酸奶了。

我们通过实验发现，酸奶一会可以实现超滑，一会又实现不了超滑。实验机反向旋转以后，超滑就消失了，酸奶超滑也是微现象。

虽然这次又做失败了，但是我们发现了酸奶对摩擦系数的突降是真的。

后来我们研究它为什么会出现突降，在磺酸和丙三醇混合时就实现了超滑，非常稳定，磨合了十分钟左右，摩擦系数就能达到千分之二点八。

有一次我在杭州吃莼菜，发现莼菜用筷子怎么也夹不住，只能用勺子舀着吃。

我就让学生做做实验，看有没有超滑现象，发现它的摩擦系数达到千分之五，也是一种层状的超滑材料。

磷酸是一种腐蚀剂，我们在磷酸中也发现了它有非常好的超滑性能。在超滑状态的时候，基本上磨损也能接近于零，所以它是一个非常好的超滑现象。

磷酸超滑一下子给了我们很大的启迪，磷酸怎么实现超滑的？它的机理是什么？

一旦机理揭示出来，很多可能的超滑材料就会合成出来，所以我们的学生李津津在这方面，做了很重要的工作，发现了流体效应会形成超滑。

什么是流体效应？

一个人踩着滑板能够滑行，也是一种流体效应。流体动压效应，可以把这个滑板给支撑起来。

有没有非流体效应的超滑？

我们通过实验发现，用聚四氟乙烯和蓝宝石进行配对的时候，不用经过任何磨合过程，也不用形成任何动压效应，就会有超滑现象的存在。

超滑的摩擦系数跟速度基本上没关系，是什么原因呢？

有两种机理，其中一种叫做水合机理，水合作用相当于一个金属正离子吸附水分子在周围形成了水合层，水合作用越强的液体，就会发现超滑形成。

而水合作用的距离，作用力非常短，而实验中膜厚经常有几十个纳米，我们发现这可能跟双电层有关。

双电层也是两个同等电荷形成斥力，分担了一部分压力。

从实验中可以看出，红色的实验曲线有双电层（斥）力，几乎没有范德华引力过程，直接进入了斥力范围。

常规的会有范德华引力，双电层（斥）力也可实现超滑，我们就可以根据超滑机理，控制超滑的出现和消失。

五、超滑的作用机理

归纳起来，超滑大概有三种机理：双电层作用、流体动压效应和水合作用，这是世界上公认的三大机理。

其中的前两种超滑机理，是我们这个研究组提出来的。

后来，我们对一大批液体，其中包括酸溶液、碱溶液、酸+醇溶液、油基，都实现了超滑。

当超滑实现后，承压的范围只能到300兆帕。然而，要真正在工业上产生大量的应用，就要把它的承载能力提高，提高到1吉帕以上。

我们又做了新的尝试，提出固液耦合超滑，把石墨烯加强表面修饰，放到液体里把黑磷表面修饰，看能不能提高承载能力？

后来，我们分别提高到600兆帕和1吉帕以上，最终实现了一个非常高的承载能力的超滑。

在国际上，现在有这三大研究组进行对比。一个是以色列的Klein小组，一个是日本的Adachi小组，还有一个是我们小组。

从溶液看，我们的体系已经非常庞大了。从承载能力看的话，Klein小组大概到70兆帕，日本到100兆帕，我们现在到了1吉帕以上，实现了数量级的提高。

在液体超滑论文方面，国内主要是我们研究组做的。大概在2005年，我国就跟世界其他国家的总和差不多了，现在我们已经超过世界其他国家的总和了。

客观上说，超滑想要推向应用，必须解决这个矛盾：减少摩擦，需要弱的分子间作用；承受载荷，需要强的分子间作用。否则在载荷的作用下，液体就流到外边，润滑就失效了。

所以，这就是矛盾。一个需要弱的分子间作用，而另一个需要强的分子间作用。

如何来解决这个矛盾，才是超滑应用研究的关键。如果解决不了，超滑的比萨斜塔就会倒掉。

六、超滑应用到底有什么价值？

有人做过调查，如果全球轿车仅是发动机的摩擦系数降低到18%，每年可以节约5400多亿人民币的燃油损失，以及减少2.9亿吨的二氧化碳排放。

如果不仅仅是18%，而是呈数量级的降低呢？那么应用会非常广泛，意义重大。

所以，超滑将来可以在航天工业、交通工业、海洋工业等领域，有重大的应用前景。

这幅图说的是，在公元前1800多年前，当时人们用了润滑技术和滚动技术，再加成千的人拉动，最终移动了一个60吨大雕塑。

我们假设，如果超滑实现摩擦系数降到万分之一，那么雕塑的拉力也仅有6公斤，一个小孩可以拽着它跑。

从人类发展来说，钻木取火使人类从野蛮走向了文明，滚动摩擦代替滑动摩擦，就是现代轴承的发展，催生了现代工业。

那么，将来近零摩擦和近零磨损就会有更广远的前景。超滑的应用这扇大门已经打开了并逐步向工业界推广。

非常感谢大家！

本文经中国科学院公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks）授权刊登，格致论道是中国科学院全力推出的科学文化演讲，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览（中国科学院科普云平台）提供技术支持。作者：雒建斌（中国科学院院士、清华大学机械工程学院院长，2020年度陈嘉庚科学奖技术科学奖获得者）