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摩擦力会消失吗？ | 雒建斌——科学讲坛

中国物理学会期刊网 2021-04-27

The following article is from 格致论道讲坛 Author 雒建斌

“据调查，大概人类一次性能源的三分之一是通过摩擦所消耗掉的，而且80%的装备都因为磨损失效。”

雒建斌

中国科学院院士、清华大学机械工程学院院长雒建斌

2020年度陈嘉庚科学奖技术科学奖

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。

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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、润滑三个方面的聚集起来，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。

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震动。

一般人都认为面积越大，摩擦肯定越大。摩擦是由表面的凹凸不平引起的。为什么他认为摩擦跟面积没关系，跟正压力有关系呢？

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，摩擦就是因为这个造成的。

后来到了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。后来到了五十年代，剑桥大学两位教授教授Bowden和Tabor一起合作，他们认为摩擦力是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汤姆森（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。

但是如果这个D原子，离B原子比较近，它走的时候把B原子拉过来，离去时候，B原子突然回弹过去引起B原子弹性振动，就相当于左边这个原子，在那个地方不断地振动，一旦振动就消耗了能量，就有摩擦损失。

所以提出来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，汤姆森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。

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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，没有公约数，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，系数大概在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，这使得摩擦系数降到千分之三了，实现了超滑，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。

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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，英国物理学家就做过超流体，就是把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，它的黏度比水大概还小了接近一亿倍，比水还容易流动，物理界称之为超滑体，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，大概磨合了十分钟左右，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，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。

这一下子给我们很大的启迪，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。

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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，放到液体里把黑鳞表面修饰，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。

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？那么应用会非常的广泛，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，当时人们用了加润滑技术，加滚动技术，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。

这是我们的group照片，非常感谢大家！

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中国科学院院士、清华大学机械工程学院院长雒建斌

以“摩擦中微粒作用机制及超滑机理”成果

获2020年度陈嘉庚科学奖技术科学奖

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