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所有研究摩擦的科学家,都有一个最大的梦想:让摩擦消失 | 雒建斌院士

雒建斌 格致论道讲坛 2024-03-11



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

2020年度陈嘉庚科学奖技术科学奖获得者

格致论道56期|2020年9月6日 北京


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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。


走进摩擦学
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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。
 
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。


 

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。
 
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。
 


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。


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。


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,它的黏度比水大概还小了接近一亿倍,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,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。


超滑的作用机理
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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。

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。



这是我们的group照片,非常感谢大家!

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