kiayun手机版登录入口 生活中无处不在摩擦，能消失吗？

据调查，人类一次性能源有大概三分之一是经由摩擦而消耗掉的，并且80%的装备因磨损失能 。

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？

荣获诺贝尔奖的费曼讲过，针对摩擦，虽然进行了不少实验，然而做到精确并不简单艰难，其摩擦定理的剖析还是存有不足。

摩擦为什么会这么复杂呢？

实际上，摩擦过程能够由一张图展示出来，图里会有各种光发出，会产生等离子体，甚至有X光出现，并且存在摩擦化学反应，伴随物体的变形 。

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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，英国政府当时有位爵士叫Peter Jost，他在英国开展了一项调查，该项调查的内容是，摩擦会对英国造成何种程度的损失，磨损又会给英国带来怎样的损害，润滑会对英国致使多大的损失呢？

调查告终，Jost得出了一份极有名气的Jost报告，他将摩擦方面、磨损方面、润滑方面这三项范畴集合起来，创造了一个全新术语统称名为Tribology，此名称即摩擦学 。

他持有这样的观点，摩擦学属于那门针对相互开展运动、彼此出现相互作用的对偶表面，进而对其进行理论实践的阐释的领域里面的科学，且包含有技术方面的元素. 那么，关涉开展有关摩擦的学的探究，到底实际上具备哪些有价值或是产生某个作用上值得探究考量的地方呢.

事实上，可以说摩擦学，不光是在航空航天这一领域，于芯片制造领域，在生物领域，在高铁领域，在军事领域，依旧是有着诸多应用的 。

经调查可得，一次性能源所产生的消耗中呢，大概占据三分之一这一比例数量的部分是借助摩擦致使其被消耗掉的，并且存在这样一种情况在其中，80%比例数量的装备是由于磨损这一因素进而导致它们失效的。

由于摩擦致使的损失，与磨损所造成的损失，二者共同形成的损失，通常情况下是一个国家国内生产总值的百分之二至百分之七 。

假设，我们单单以百分之五来进行计算，在二零一九年，我国GDP是九十九万亿元，因摩擦以及磨损所造成的损失达到了四点九五万亿元，这是一个极为庞大的数字。

摩擦的起源

想要研究摩擦，最先大家想知道的就是，到底摩擦产生发源于什么的存在之处，摩擦究竟起于何处？

摩擦的最早起源是钻木取火，拿个硬木头，在软木头上进行摩擦，最终起火。

人类实现对火的控制条件以，由野蛮状态进入到文明形态行列来。之后于是有所谓雪橇的发明，继而才有车辆亮相问世了句号

使人类生产基于滚动摩擦来取代滑动摩擦有了极大进步 ，然而 ，事实上却是直至15世纪达·芬奇开端 ，人类方才正式着手切实依据科学探讨研究此摩擦问题 。

1967年，达·芬奇的手稿被发觉了，那时他已着手钻研摩擦，提出摩擦力约为自重的四分之一 。

但是真正上升到科学层次，探索摩擦的起源，是在17世纪。

当时在法国科学院作了一个报告的阿孟顿，是法国的物理学家，他认为摩擦力只与载荷有关，还认为摩擦力与接触面积没有关系，其报告在当时的科学界引起了非常大的震动 。

通常情况下人们所想的是，面积一旦更大，那摩擦必然会更大。不过摩擦实则kiayun手机版登录.v1008.点进白给你1888.中国，乃是因表面具有凹凸不平的状况所出现的 。可是为何他头脑里想到认为 ，摩擦这件事跟面积毫无关联 ，却跟正压力有着关系呢 ？

随后，又有一位来自英国的物理学家提出来，摩擦这件事，跟凹凸不存在关联，它跟分子间的黏附力有关联 。

他进行了一个实验，这个实验做得很不错，要把一个小铅球切成平面，大铅球同样切成平面，将两个平面之间对着摩擦，那么小铅球能够将大铅球拉起来，另外大铅球还不会掉落下来 。 ”

分子间的黏着力、吸附力非常强，摩擦就是因为这个造成的。

随后，时间来到18世纪，有一位物理学家，名叫库仑，他进行了一次具有某种性质极其与众不同的装置相关实验 ，该实验被认定为近代物理范畴内十大实验当中的一个 。

他持有这样的观点，即摩擦是因凹凸不平的表面镶嵌在一起所致，并且进而提出了摩擦学的古典四大定律，包括摩擦跟正压力是存在相关联系的，摩擦与接触面积并无关系，最大的静摩擦力会比动摩擦力大，摩擦力大小与速度没有关系。

一方面，摩擦力跟接触压力有关，而不跟面积有关；另一方面，摩擦与接触面积有关，还与分子的黏着力有关。因此，这两个理论各言其状。

在1939年的时候，苏联的学者克拉盖尔斯基对这两个理论进行了统一举措。他表明，所涵盖的摩擦力是由等同的两个力共同所致，其中一部分是因正压力而产生的摩擦力，另一部分则是由于分子间吸附进而形成的摩擦力。

然而尚未将本质阐释清晰，随后到了五十年代的时候，剑桥大学有两位开展合作的教授分别是Bowden和Tabor，他们觉得摩擦力是和真实接触面积存在关联的，和名义接触面积并无关系。

他持有这样的看法，摩擦力主要依赖于真实接触面积，正压力一旦增大，真实接触面积就会变大， consequently 摩擦力随之增高了。 ，

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。

在1929年的时候，存在科学家从微观世界着手对它展开探讨，极为著名的成果便是汤姆森（Tomlinson）模型。

C是一个原子，B是一个原子，还有一个原子为D，倘若D原子离B原子距离很远，D原子朝着B原子旁边慢慢地走近，D原子会对B原子施行靠近的拉，当D原子与B原子之间距离变远时，B原子又会出现弹回来的情况 。

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，其在走近时，会把B原子拉过来，在其离去时，B原子会突然回弹过去，从而引起B原子弹性振动，这相当于B原子在不断振动，一旦振动就会消耗能量，就会产生摩擦损失。

由此，他提出来摩擦起源的原子模型，然而在该模型被提出来之后，却没办法使其得到验证。

1986年，葛·宾尼发明原子力显微镜，因该发明宾尼获诺贝尔奖，有了此显微镜就能研究原子级摩擦，由此汤姆森模型基本被证实 。

后来超快激光被发觉，人们才能够探究摩擦进程里头的声子耗损、进行电子耗损的研究，外加开展对结构演变的思索 。

右下角存在着一幅图，那便是我们针对缺陷、对电子耗散所产生的影响展开研究的呈现，通过那幅图，我们完全能够看到，电子耗散实际上也真切地和摩擦以及材料存在联系。

对摩擦力展开研究的每一位科学家，都怀揣着一个最为宏大的梦想，此梦究竟是什么呢，即能不能做到对摩擦加以控制，要不就是将摩擦予以消除，这进而引发出另外一项课题：超滑是不是能够变成现实的问题 。

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超滑能否实现？

1990年，日本学者Hirano开展了一次理论分析，其表示，对于两个原子级光滑的表面，若上下表面的原子处于公度状态时便存在摩擦，当处于非公度情形下时则不会存在摩擦

那么，什么叫公度？什么叫非公度？

比如，上表面两个原子，其原子间距是2，下表面的原子间距为2或者4，这相当于下 A 图，因为两个平面之间存在公约数，所以表面处于公度状态，在运动过程中就会有能量损耗。

如果在一个表面上原子间距为2，在另一个表面上原子间距状况是3，二者不存在公约数，无法进行插入动作仍处于悬吊于表面的形态时，整个移动过程中摩擦就会不存在进而灭失了，这是依据理论计算而出现的结果，该结果的事物本质与Tomlinson模型呈现等同一致的情况。

之后行了一回实验，的确是当处于非公度状况时期，摩擦力会大幅度下降或者趋近于零之情形产生啦，然而物理学家对于此还存在着一定程度的怀疑态度喔，期望这般的状况能够进一步获得证实呢。

然而，从事摩擦学研究工作的人士，此刻十分留意这样一个问题，即超滑是否具备得以达成的可能性，摩擦是否能够实现消失。

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。

我们处于低温状态，使用钢与二硫化物彼此相对摩擦，达成了万分之一的摩擦系数，该摩擦系数大概较常规摩擦系数能够降低两个数量级，如此便出现了超滑现象。

我们做了一个工作是有关二维材料的 那个工作是用二氧化硅的球 采取CVD的办法来做 采取此办法能让二氧化硅球表面生长几层石墨烯之后将生长好石墨烯的球粘在旋臂上 是有这样一个工作的 那个工作就是这样的最后的标点符号是工作的语句结束标点 这里只是示例 实际应和第一句相同 不用补充

这个旋臂是带有石墨烯的那种旋臂，其下平面能够用石墨烯或者别的材料。我们发觉，在二氧化硅球对着二氧化硅表面之际，摩擦系数异常大，系数大约在0.6附近。

假使是二氧化硅表面包裹着石墨烯，跟石墨烯相互对摩，又或者是跟高取向石墨相互对摩，这般一来摩擦系数降低到千分之三了，达成了超滑状态，这还被称作是达成固体超滑的六大方法当中的一个句号。

随后，于真空状况下，摩擦系数降低至十万分之二，这实属蛮具价值值得去注意值得去重视的要紧之事。，

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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？

大概是在1938年的时候英国物理学家做过超流体将HeⅡ降到2.17K将其降到2； 将其降温到零下270多度也就是零下270多度左右。

科学家发现，这时，HeⅡ流体几乎没有摩擦下的流动行为了，它的黏度相较于水，大概小了接近一亿倍，其具备比水还容易流动的表现特点，在物理界此被称作超滑体，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？

摩擦学界将降低摩擦当作核心，这是由于其能够使能耗降低下来，然而要是把系统温度由常温状态降低至近乎绝对零度，那就需要大量的能耗。

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。

之后，九十年代时，以色列科学家达成了：将分子刷置于两片云母之间，并且添加上盐水kiayun手机版登录下载，如此便能够达成超滑了 。

而后，日本人于两个陶瓷的表面添加上水，进行了两个多小时之久的磨合，最终也呈现出了超乎寻常的滑溜的状态 。

超滑研究因这两个超滑现象的出现而被推动，然而大家依旧认定它距离应用存在巨大差距 。

在1996年，我得到了首个自然科学基金项目，那时博士才刚刚毕业，所做的是超滑研究，期望于二氧化硅表面注入相同的电荷，使它构建起一个同种电荷斥力场 。

而后，促使处于中间情形的液体分子构建排列，塑造出一种超低摩擦的状况。进而我们注入属于同类性状特征的电荷，在那两个具有表面属性的层面一产生接触的前提下，这两个具备表面性状的层面就相互吸附靠在一起，达到掰弄怎么都无法使其分开的状态句号。

这究竟是因何缘故呢，我们察觉到表面电荷出现了迁移情况，能讲我们此项研究是失败的。，

2008年时，我们的学生曾将酸奶带至实验室 ，此时，他发觉酸奶的某些成分 ，与以色列所做的超滑存在点儿相似之处，过后，他把酸奶添加到实验机上 ，结果发现摩擦系数一下子降至千分之二左右 。

他马上汇报，这是不是意味着，超滑出现了？

我们着手开展酸奶研究，划分多个研究团队，针对酸奶中有乳酸菌、乳酸，还有蛋白质、微量元素这方面，对超滑产生怎样的效果予以研究。

有一名学生，因每日钻研乳酸菌的影响，整日于显微镜下观瞧乳酸菌，直至如今，基本上不太喝酸奶了。

我们借助实验开展发觉，酸奶短时间之内能够 达成超滑效果，一段时候之后又无法达成超滑效果。实验机器进行反而转动之后，超滑便不复存在了，酸奶表现出的超滑同样属于微观层级的现象。

这次又做失败了，可我们发现，酸奶对于摩擦系数而言，其突降情况是真切存在 的。

之后我们探究它出现突降的原因，于磺酸与丙三醇混合之际达成超滑效果，极为稳定，磨合大约十分钟的样子，摩擦系数可达千分之二点八 。

曾经有一回，我于杭州品尝莼菜佳肴哟，就碰见莼菜这古怪家伙呐，使用筷子不管怎样努力用力，皆夹不住它哟，最后呀，唯有借助勺子从中小心舀取着来吃哉。

我指使学生去开展实验，探究会不会出现超滑状况，探寻得知其摩擦系数为千分之五，它还是作为一种层状的具备超滑特怔的材料 ，。

磷酸，属于一种腐蚀剂，其具备相当好的超滑性能，于超滑状态下，基本上磨损近乎可视为零，故而这属于一种非常不错的超滑现象。

这一刻给我们带来极大启迪，磷酸怎样达成超滑，其内在机理究竟是什么，何为超滑的实现方式呢 ？它的原理又怎样进行论证 ？其背后又是基于什么样的原理支撑 ？

一旦机理被揭示出来，许多可能的超滑材料便会被合成出来，所以我们的学生，李津津他在这方面，做了非常重要的工作，也就是发现了流体效应会形成超滑 。

什么是流体效应？

由流体动压效应，能将一个人站上它就能滑行的滑板支撑起来，这属于一种流体效应 。

有没有非流体效应的超滑？

在进行实验时，我们发现，当聚四氟乙烯与蓝宝石配对，不存在磨合过程，也未形成任何动压效应，就会有超滑现象这一情况而存在 。

超滑的摩擦系数跟速度基本上没关系，是什么原因呢？

有是两种机理，其中的一种被称作水合机理，水合作用等同于一个金属正离子把水分子吸附在其周围从而形成了水合层，会发现超滑在水合作用越强的液体中形成 。

水合作用存在距离，其作用力十分短，然而在实验里膜厚常常有几十个纳米，我们发觉这也许跟双电层是有关系的。

双电层也是两个同等电荷形成斥力，分担了一部分压力。

通过实验能够观察到，呈现红色的实验曲线存在双电层（斥）力，基本未曾历经范德华引力过程，径直迈入了斥力范畴。

常规的存在范德华引力，双电层的斥力同样能够达成超滑，进而我们能够基于超滑的机理，对超滑的出现与消失予以控制 。

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超滑的作用机理

加以汇总归纳，超滑大体存在三种机理，分别是，双电层作用，流体动压对应的效应，以及水合作用，此乃被世界所认可的三大机理 。

其中的前两种超滑机理，是我们这个研究组提出来的。

后来，我们针对相当数量的液态物质，这些众多液态物质涵盖酸溶液，还有碱溶液，尚有酸与醇混合的溶液，以及属于油基类的物质，全都于表面完成了超滑的状态达成。

超滑实现之后，承压范围仅能达到300兆帕kia云手机版登录，不过，若要在工业领域产生大批量应用，就得提升其承载能力，提升至1吉帕以上。

我们进行了新鲜尝试，尝试内容是率先推出的固液耦合超滑，超滑实验做法为先行进行对石墨烯加强表面修饰，之后再将经修饰的其被投放到液体里，然后执行又一次的对黑鳞表面修饰，针对整个流程结果，我们期待审视其是否含有将承载能力予以提高能力？

后来，我们分别提升至600兆帕，我们别又提高到1吉帕以上，最终达成了一个承载能力颇高的超滑，最终实现了这项超滑成果。

如今在国际方面，存在这三大进行对比的研究组，其中之一是来自以色列的Klein小组，其二是源自日本的Adachi小组，其三是我们这个小组。

从溶液来观察，我们所拥有的体系已然极为庞大，从承载能力方面去考量，Klein小组大约能够达到70兆帕，日本方面可达100兆帕，然而我们现今已经超出1吉帕，达成了数量级的提升。

在有关液体超滑论文这一领域方向上，国内主要是我们所在的研究组开展相关研究工作的，大概是在2005年，我国在这方面的数据等状况就跟世界上除去我国外其他国家的数据等加起来的总和大致相仿了，如今我们在这方面的相关情况已经超过世界除去我国外其他国家这一方面情况加起来的总和了。

从客观的角度而言，超滑倘若要向应用这块去进行推进，必定得将这个矛盾加以解决，这个矛盾是减少摩擦这一方面对分子间作用有着减弱的要求，而承受载荷那一部分则对分子间作用存有着较强程度的要求，不然的话在载荷产生的作用之下，液体就会流到外面去，进而使得润滑失去其应有的效果了。

所以，这便是矛盾，一个所需的是弱的分子间作用，而另一个所需的则是且为强的分子间作用。

解决这个矛盾的方式是什么，才是超滑应用研究的关键所在。要是对这个矛盾无能加以解决，那么超滑的比萨斜塔将会倒掉。

超滑应用到底有什么价值？

有人做了调查，要是全球轿车单单发动机的摩擦系数降至 18%，那么每年能够节约 5400 多亿人民币的燃油耗费，并且可减少 2.9 亿吨二氧化碳排放 。

要是并非只是18% ，而是向着数量级幅度去降低嘞，那么应用将会变得极其广泛啦，意义亦是相当重大啰

所以，超滑未来能够于航天工业运用广阔，在交通工业施展空间大领域宽广海洋工业用途多，将会存有重大应用前景情况。

这幅图说的是，在公元前一千八百多年前，当时人们采用了加润滑技术，采取了加滚动技术，并且凭借成千的人进行拉动，最终移动了一座六十吨大雕塑。

我们进行假设，要是超滑达成摩擦系数降低到万分之一的情况，如此雕塑的拉力就只有6公斤，一个小孩能够拽着它奔跑 。

关乎人类发展，钻木取火致使人类由野蛮迈向文明。滚动摩擦取代滑动摩擦，乃是现代轴承的演变发展，进而催生出现代工业。

如此一来，往后近零摩擦以及近零磨损会存有更为广阔辽远的前景，超滑之于应用的这扇大门已然被开启且正渐渐朝向工业界予以推广。