清华大学在宏观标准超光滑范畴获得重大冲破 -编号:HZ186bV

　　为了便利对超长的碳纳米管的操纵，该团队还发展了单根碳纳米管的纳米颗粒标志技术，从而实现了光学环境及扫描电镜下对大尺度单根碳纳米管的定位与操纵（相关工作发表在《自然-通讯》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《纳米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上），这为宏观尺度超润滑现象的观察和测量提供了前提。

　　超润滑(superlubricity) 是20世纪90年代早期由日本学者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也称结构润滑(structural lubricity)，它是指当晶体表面以非公度形式接触时，有可能呈现界面摩擦和磨损多少乎为零的现象。从前二十年中所发现的超润滑现象重要是在纳米尺度和高真空条件下实现的，实现宏观尺度上的超润滑不仅请求固体表面具备超高的模量，而且要求在宏观尺度上原子级平坦，无缺陷与位错，如此刻薄的条件使得人们广泛认为大尺度下简直不可能实现超润滑。

图为双壁碳纳米管管壁之间存在超润滑的示用意，该图表现：从理论上讲，无论碳纳米管有多长，都可以用渺小的力将其内层从管中抽出。

清华大学在宏观尺度超润滑范畴获得重大冲破

　　这项研究工作由清华大学化工系魏飞教授课题组牵头，与清华微纳米力学研究核心张莹莹副传授、郑泉水教学跟北京大学信息学院陈清教授课题组配合实现。国度天然迷信基金委员会和国家重大研究发展打算赞助了这项研究。

　　清华消息网11月4日电（通信员 龚华）近日，清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学微纳米力学与多学科穿插翻新研究中央、北京大学信息学院协作，在超润滑领域取得重大打破，在世界上首次检测到了大气环境下厘米以上长度碳纳米管管层间的超润滑现象。所实现的超润滑尺度比以前报道成果的最高值高出3个数量级，同时所得到的摩擦剪切强度比以前报道结果的最低值降低了4个数量级。相干结果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》 （大气环境下厘米级长度双壁碳纳米管上的超润滑）为题目于2013年11月3日在线发表在国际纳米领域威望学术期刊《做作—纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。《天然—纳米技术》还同期刊出了专题评论文章，邀请世界有名摩擦实践专家、以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh教授对这一重大发现给予评论。文章的第一作者为清华大学化工系博士生张如范。

供稿：化工系　编纂：襄桦

　　在上述基本上，他们首先在光学显微镜下通过用幽微气流吹动碳纳米管的方式察看到了碳纳米管管壁之间疾速绝对活动的巧妙景象，进而在应用扫描电镜下的微纳米把持平台进行双壁碳纳米管内层的可控抽出,清华大学研修班，并丈量了管壁间的超低摩擦力。他们发明，双壁碳纳米管的管壁之间存在着超低的摩擦力（只有1~4 nN），并且这种摩擦力与碳纳米管的长度不关联，即无论多长的碳纳米管，其内层都能够被容易地抽出来。他们演示了厘米长度碳纳米管（长径比为107）的内层抽出，比以前报道的实现超光滑的标准（约10微米）进步了至少3个数量级。另外，产生相对滑动的两个名义之间的剪切强度是表征其摩擦力大小的主要参数，本研讨工作中得到的碳纳米管管壁之间的剪切强度只有2~3 Pa，比之前所测得的剪切强度最小值（0.04 Mpa）下降了至少4个数目级。

　　审稿人评估说：“这是一项有趣的、并且是激动听心的工作：首次从实验手腕上证明了大气环境下的宏观尺度超润滑现象！这项工作以其里程碑式的新鲜发现断定无疑地证实了宏观尺度超润滑的存在，我认为这是该工作最为重要和创造性的处所！毫无疑难，这是第一次视察到从微观到宏观尺度下如斯低的摩擦力。我还想指出这项工作在发展试验技术方面所做出的原创性的工作。我以为这项工作对研究和把持摩擦力做出了重大的、发明性的奉献；并且深信，这项工作将会激发超润滑研究领域越来越多的实验研究和技巧利用”。

　　这项工作为下一代全碳电子器件构筑、超润滑机械开发以及超高速微纳米机械、电子器件制备供给了基础。

　　摩擦现象始终是人类面临的最具挑衅性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次机能源由摩掠过程耗费；产业发达国家因摩擦磨损造成的丧失高达GDP的5%-7%。在微观尺度，因为资料比表面积增大，使得摩擦现象更加明显。因而，跟着古代制作技术的发展，当体系尺寸缩小到微纳米尺度时，界面摩擦成为制约器件性能和寿命的要害因素。解决摩擦磨损问题的基本道路是实现固体界面之间的极低摩擦甚至零摩擦，即超润滑。

　　碳纳米管从构造上看是由石墨烯卷曲而成，因为石墨烯层间只有微弱的范德华力，所以多壁碳纳米管的管壁之间很轻易发生相对滑动；另外，碳纳米管的内外管壁之间的手性结构是彼此独破的，通常以非公度情势接触，这为管壁之间的超润滑提供了条件。然而，理论研究表明，当碳纳米管存在哪怕只有一个原子级别的缺陷时，其管壁间摩擦力就会急剧增大。因此，要想用碳纳米管研究宏观尺度的超润滑，必需首先制备出宏观长度且存在原子级完善结构的碳纳米管。经由近十年的尽力，魏飞教授团队在碳纳米管的制备方面取得了一系列突破，制备出了长达半米长的碳纳米管，并且证明了碳纳米管在长达数厘米的范畴内没有任何缺点（相关工作曾屡次发表在《进步材料》(Advanced Materials)、《美国化学会—纳米》（ACS Nano）、《材料化学》(Chemistry of Materials)等国际著名材料期刊上），这为研究宏观尺度超润滑提供了幻想材料。

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