當我們中的許多人都在小心翼翼地避免在霜凍天氣中滑倒時，萊斯特大學的科學家們正在研究如何讓路面變得更滑！他們解決了超潤滑原理中的一個難題–在超潤滑狀態下，兩個表面在相互滑動時的摩擦力很小，甚至幾乎消失。他們將結論發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上。

了解超潤滑性

超潤滑性與石墨烯等分子光滑表面有關，目前僅在實驗室環境中觀察到，這些表面是在奈米和微米尺度上合成的。與機器和機械裝置中的傳統摩擦力相比，超潤滑有可能將摩擦力降低1000 到10000 倍。

大多數人都會直覺知道，重物的摩擦力（物體滑動的阻力）大於輕物，也是300 多年前提出的阿蒙頓-庫侖摩擦定律。

然而，這並不適用於超潤滑。這種現像比傳統摩擦力小數萬倍，而且摩擦力不取決於物體的重量。換句話說，將物體的重量從幾克增加到幾十公斤也不會改變摩擦力的大小。

“矽”全尺寸數值實驗（MD模擬）的設定示意圖。石墨烯層（紅色）覆蓋的銅尖端在另一層石墨烯層（藍色）覆蓋的銅基底上滑動。資料來源：萊斯特大學

摩擦新發現

但是，由萊斯特大學的尼古拉-布里連托夫教授領導的一個國際科學家小組現在發現，物體表面的”同步”波動是由表面原子的隨機振動引起的，從而產生了摩擦。這種振動存在於任何非零溫度下，其強度隨溫度降低而減弱。這意味著，透過降低表面溫度，可以進一步降低摩擦的影響。

萊斯特計算機與數學科學學院的布里連托夫教授說：”這種與普通摩擦力的巨大差異令人好奇，需要加以解釋。超潤滑還有其他令人驚訝的特點，例如摩擦力對滑動速度、溫度和接觸面積的異常依賴。所有這些依賴關係都與傳統的阿蒙頓-庫侖定律所預測的相反。解釋超潤滑的神秘行為將有助於控制超低摩擦，從而為其工業應用開闢令人驚嘆的前景”。

研究方法和結果

為了研究超潤滑性的原理，他們創建了兩個分子光滑表面的接觸–一個尖端在基底上滑動，兩個表面都覆蓋了石墨烯層–並使用橫向力顯微鏡測量了摩擦力。他們還利用分子動力學模擬進行了”矽”全尺寸數值實驗，以創建一個非常逼真的真實現像模型。

兩個表面應該是不相稱的，這意味著一個表面的分子結構中的潛在”山丘”不應該與另一個表面的潛在”井”相吻合。這兩個表面就像放在一起的兩個雞蛋盒：如果它們貼合在一起，它們就會鎖住，需要更大的力量才能導致滑動。

如果表面的溫度不為零，摩擦力就會出現，這是由於熱波動引起的表面波紋造成的。科學家證明，”同步”熱波動是造成摩擦力的原因，即兩個表面同時彎曲，並保持緊密接觸。表面溫度越高，同步波動的振幅就越大；接觸面積越大，阻礙相對運動的表面波動數量就越多。

對未來的影響

布里連托夫教授補充說：”我們已經能夠解釋摩擦力獨立於物體重量這一神秘現象的原子機制，並為超潤滑性制定了新的摩擦定律。這些定律雖然與阿蒙頓-庫侖定律形成鮮明對比，但卻很好地描述了這一現象。一旦生產出毫米或厘米級的光滑表面分子層，機器和機構中所有移動、旋轉和擺動的觸點都將覆蓋這種表面層。這將在全球範圍內大幅降低能耗。為了進一步降低能耗，最大的接點將可能保持在低溫狀態”。

編譯來源：ScitechDaily