首先，我要介紹為什么要研究摩擦學(xué)？摩擦學(xué)是什么？

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：關(guān)于摩擦，雖然做了很多實(shí)驗(yàn)，但是精確的摩擦實(shí)驗(yàn)還很難，摩擦定理的分析還是不夠。

摩擦為什么會(huì)這么復(fù)雜呢？

實(shí)際上，摩擦過(guò)程是可以用一個(gè)圖可以顯示出來(lái)的，它會(huì)發(fā)射出各種光、等離子體甚至X光，還有摩擦化學(xué)反應(yīng)、物體的變形等。

走進(jìn)摩擦學(xué)

摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，什么是摩擦學(xué)呢？

1966年，英國(guó)政府當(dāng)時(shí)的爵士 Peter Jost，在英國(guó)做過(guò)一個(gè)調(diào)查，內(nèi)容是：摩擦、磨損、潤(rùn)滑會(huì)對(duì)英國(guó)造成多大的損失？

調(diào)查結(jié)束，Jost做出了一個(gè)非常著名的Jost報(bào)告。他把摩擦、磨損、潤(rùn)滑三個(gè)方面的聚集起來(lái)，創(chuàng)立了一個(gè)新詞匯，叫做Tribology，就是摩擦學(xué)。

他認(rèn)為，摩擦學(xué)是一門研究相互運(yùn)動(dòng)、相互作用的對(duì)偶表面的理論實(shí)踐的科學(xué)技術(shù)。那么，摩擦學(xué)研究，到底有什么意義呢？

實(shí)際上，摩擦學(xué)不僅在航空航天領(lǐng)域，在芯片制造、生物、高鐵、軍事領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。

據(jù)調(diào)查，一次性能源的消耗，大概有三分之一是通過(guò)摩擦消耗掉的，而且80%的裝備都因?yàn)槟p而失效。

摩擦和磨損共同造成的損失，一般是一個(gè)國(guó)家GDP的2%到7%。

假設(shè)，我們僅以5%來(lái)計(jì)算。2019年，我國(guó)GDP是99萬(wàn)億元，因?yàn)槟Σ梁湍p造成的損失達(dá)到了4.95萬(wàn)億元，這是一個(gè)非常大的數(shù)字。

摩擦的起源

要研究摩擦，第一個(gè)大家想要了解的就是，摩擦到底是怎么起源的？

最早的摩擦起源是鉆木取火。拿個(gè)硬木頭，在軟木頭上摩擦，最后起火。

人類控制了火，從野蠻走向了文明。后來(lái)就有了雪橇，然后就是車的出現(xiàn)。

滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，使人類生產(chǎn)有了很大的進(jìn)步。但是人類開(kāi)始真正科學(xué)地研究摩擦問(wèn)題，實(shí)際上是從15世紀(jì)達(dá)·芬奇開(kāi)始的。

1967年，達(dá)·芬奇的手稿被發(fā)現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)他已經(jīng)開(kāi)始研究摩擦，提出了摩擦力大概是自重的四分之一。

但是真正上升到科學(xué)層次，探索摩擦的起源，是在17世紀(jì)。

阿孟頓是法國(guó)的物理學(xué)家，他當(dāng)時(shí)在法國(guó)科學(xué)院作了一個(gè)報(bào)告：認(rèn)為摩擦力只與載荷有關(guān)，與接觸面積沒(méi)關(guān)系，當(dāng)時(shí)在科學(xué)界引起了非常大的震動(dòng)。

一般人都認(rèn)為面積越大，摩擦肯定越大。摩擦是由表面的凹凸不平引起的。為什么他認(rèn)為摩擦跟面積沒(méi)關(guān)系，跟正壓力有關(guān)系呢？

后來(lái)，另外一個(gè)英國(guó)的物理學(xué)家提出摩擦跟凹凸沒(méi)關(guān)系，跟分子間的黏附力有關(guān)系。

他做了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)，將一個(gè)小鉛球和一個(gè)大鉛球都切成平面，把兩個(gè)面對(duì)摩，這個(gè)小鉛球就可以把大鉛球拉起來(lái)，而且掉不下來(lái)。

分子間的黏著力、吸附力非常強(qiáng)，摩擦就是因?yàn)檫@個(gè)造成的。

后來(lái)到了18世紀(jì)，物理學(xué)家?guī)靵鲎隽艘粋€(gè)非常有名的裝置實(shí)驗(yàn)，被稱為近代物理十大實(shí)驗(yàn)之一。

他認(rèn)為，摩擦是由凹凸不平的表面嵌在一塊兒造成的，并且提出了摩擦學(xué)的古典四大定律：摩擦跟正壓力有關(guān)系；摩擦與接觸面積沒(méi)關(guān)系；最大的靜摩擦力會(huì)大于動(dòng)摩擦力；摩擦力大小與速度沒(méi)關(guān)系。

一方面，摩擦力跟面積沒(méi)關(guān)，與接觸壓力有關(guān)；另一方面，摩擦與分子的黏著力有關(guān)，與接觸面積有關(guān)。所以，這兩個(gè)理論各說(shuō)其詞。

到了1939年，蘇聯(lián)學(xué)者克拉蓋爾斯基把這兩個(gè)理論統(tǒng)一了。他認(rèn)為摩擦力等于兩個(gè)力之和，一部分是正壓力造成摩擦力，另一部分是分子間吸附造成的摩擦力。

但是還沒(méi)把本質(zhì)講清楚。后來(lái)到了五十年代，劍橋大學(xué)兩位教授教授Bowden和Tabor一起合作，他們認(rèn)為摩擦力是與真實(shí)接觸面積有關(guān)，與名義接觸面積無(wú)關(guān)。

他認(rèn)為，摩擦力主要取決于真實(shí)接觸面積，因?yàn)檎龎毫υ龃?，真?shí)接觸面積變大，所以摩擦力增高了。

他從機(jī)理上把這兩個(gè)理論統(tǒng)一在一起。這就是在宏觀世界的探討。

1929年，也有科學(xué)家從微觀世界去探討它，非常著名的成果就是湯姆森（Tomlinson）模型。

C和B是兩個(gè)原子，另外一個(gè)原子是D，如果D原子離B原子比較遠(yuǎn)，D原子從B原子的旁邊走近，D原子會(huì)把B原子靠近拉，當(dāng)D原子遠(yuǎn)離B原子時(shí)，B原子又會(huì)彈回來(lái)。

這是一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，沒(méi)有任何能量消耗，也就不可能有摩擦。

但是，如果這個(gè)D原子，離B原子比較近，它走近的時(shí)候會(huì)把B原子拉過(guò)來(lái)，離去時(shí)候，B原子突然回彈過(guò)去引起B(yǎng)原子彈性振動(dòng)。這就相當(dāng)于B原子在不斷地振動(dòng)，一旦振動(dòng)就消耗了能量，就有摩擦損失。

由此，他提出了摩擦起源的原子模型，但是這個(gè)模型提出來(lái)后，沒(méi)辦法得到驗(yàn)證。

但是如果這個(gè)D原子，離B原子比較近，它走的時(shí)候把B原子拉過(guò)來(lái)，離去時(shí)候，B原子突然回彈過(guò)去引起B(yǎng)原子彈性振動(dòng)，就相當(dāng)于左邊這個(gè)原子，在那個(gè)地方不斷地振動(dòng)，一旦振動(dòng)就消耗了能量，就有摩擦損失。

所以提出來(lái)摩擦起源的原子模型，但是這個(gè)模型提出來(lái)后，沒(méi)辦法得到驗(yàn)證。

1986年，葛·賓尼（Gerd Binning）發(fā)明了原子力顯微鏡，由于原子力顯微鏡的發(fā)明，賓尼獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。有了原子力顯微鏡，就可以研究原子級(jí)的摩擦了，湯姆森模型才基本上被證實(shí)了。

后來(lái)超快激光被發(fā)現(xiàn)，人們才能研究摩擦過(guò)程中的聲子耗散、電子耗散，以及結(jié)構(gòu)的演變。

右下角的圖，就是我們研究缺陷對(duì)電子耗散的影響。我們可以看見(jiàn)，電子耗散也確實(shí)跟摩擦和材料有關(guān)系。

研究摩擦力的所有科學(xué)家，都有一個(gè)最大的夢(mèng)想，就是能不能把摩擦控制住，或者把摩擦去除掉，這就引起了另外一個(gè)話題：超滑可否實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

超滑能否實(shí)現(xiàn)？

1990年的時(shí)候，日本學(xué)者Hirano做了一個(gè)理論分析，他認(rèn)為兩個(gè)原子級(jí)光滑的表面，當(dāng)上下表面的原子處于公度的時(shí)候就有摩擦存在，當(dāng)非公度的時(shí)候就不會(huì)有摩擦存在。

那么，什么叫公度？什么叫非公度？

比如上表面兩個(gè)原子的原子間距是2，下表面的原子間距是2或者4，相當(dāng)于下A圖，由于兩個(gè)平面之間有公約數(shù)，即為表面處于公度狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就有能量損耗。

如果一個(gè)表面的原子間距是2，另一個(gè)表面的原子間距是3，沒(méi)有公約數(shù)，插不進(jìn)去，而在表面懸著，那么它移動(dòng)過(guò)程中摩擦就會(huì)消失了，這是理論計(jì)算的結(jié)果，其本質(zhì)與Tomlinson模型一致。

后來(lái)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，確實(shí)是非公度的時(shí)候，摩擦力會(huì)大幅度降低或者接近于零，但物理學(xué)家對(duì)它還是有一定的懷疑，希望它能進(jìn)一步得到證實(shí)。

但是做摩擦學(xué)研究的人開(kāi)始非常關(guān)注這個(gè)問(wèn)題：超滑是否能實(shí)現(xiàn)？摩擦能否消失？

工程上有個(gè)定義，摩擦系數(shù)只要有數(shù)量級(jí)上的降低，就叫做超滑。

我們?cè)诘蜏貭顟B(tài)下，用鋼和二硫化物對(duì)摩，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)分之一的摩擦系數(shù)，大概比常規(guī)摩擦系數(shù)能降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這就出現(xiàn)了超滑。

我們?cè)诙S材料上還做了一個(gè)工作，就是用二氧化硅的球，采取CVD的辦法，讓其表面生長(zhǎng)了幾層石墨烯，然后將長(zhǎng)了石墨烯層的球，再粘在旋臂上。

這個(gè)旋臂是帶石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或其他材料。我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)二氧化硅球?qū)Χ趸璞砻娴臅r(shí)候，摩擦系數(shù)非常大，系數(shù)大概在0.6左右。

如果是二氧化硅表面包覆石墨烯，與石墨烯對(duì)摩，或者與高取向石墨對(duì)摩，這使得摩擦系數(shù)降到千分之三了，實(shí)現(xiàn)了超滑，這也被譽(yù)為實(shí)現(xiàn)固體超滑的六大方法之一。

后來(lái)，在真空下的摩擦系數(shù)降到十萬(wàn)分之二，這是非常有意義的事。

液體能否實(shí)現(xiàn)超滑？我們實(shí)現(xiàn)了固體超滑，那么在液體上，能否實(shí)現(xiàn)超滑呢？

大概在1938年的時(shí)候，英國(guó)物理學(xué)家就做過(guò)超流體，就是把He Ⅱ（氦）降到2.17K左右，也就是零下270多度左右。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這時(shí)He Ⅱ流體幾乎沒(méi)有摩擦流動(dòng)了，它的黏度比水大概還小了接近一億倍，比水還容易流動(dòng)，物理界稱之為超滑體，這也是一種超滑態(tài)。

但是，這在物理上叫超流，對(duì)于摩擦學(xué)來(lái)說(shuō)沒(méi)什么用。為什么？

摩擦學(xué)界以降低摩擦為核心，因?yàn)槠淇梢园涯芎慕迪聛?lái)，但是如果把系統(tǒng)溫度從常溫狀態(tài)下降到接近于絕對(duì)零度，就需要大量的能耗。

所以，在常溫下能不能實(shí)現(xiàn)超滑，這是我們非常關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

后來(lái)，以色列科學(xué)家在九十年代做出來(lái)了：在兩個(gè)云母之間置入分子刷，再加上鹽水，就可以實(shí)現(xiàn)超滑了。

后來(lái)，日本人在兩個(gè)陶瓷表面加水，磨合了兩個(gè)多小時(shí)，也出現(xiàn)了超滑。

這兩個(gè)超滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，推動(dòng)了超滑的研究，但是大家還是覺(jué)得它離應(yīng)用差得很遠(yuǎn)。

1996年，我獲得第一個(gè)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（當(dāng)時(shí)博士剛畢業(yè)）做的就是超滑研究，希望在二氧化硅表面注入同樣的電荷，讓它形成一個(gè)同種電荷斥力場(chǎng)。

然后，誘導(dǎo)中間的液體分子形成排列，形成一個(gè)超低摩擦。結(jié)果我們注入同種電荷，當(dāng)兩個(gè)表面一接觸，這兩個(gè)表面就吸在了一起，掰都掰不開(kāi)。

這是為什么？我們發(fā)現(xiàn)表面電荷發(fā)生了遷移，可以說(shuō)我們的研究失敗了。

到了2008年，我們的學(xué)生有一次把酸奶帶到實(shí)驗(yàn)室，他發(fā)現(xiàn)酸奶的有些成分，跟以色列做的超滑有點(diǎn)相似，他把酸奶加到實(shí)驗(yàn)機(jī)上，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)一下降到了千分之二左右。

他馬上匯報(bào)，這是不是意味著，超滑出現(xiàn)了？

我們就開(kāi)始研究酸奶，分了幾個(gè)研究組，去研究酸奶里的乳酸菌、乳酸、蛋白質(zhì)、微量元素對(duì)超滑的影響。

有一個(gè)學(xué)生因?yàn)樘焯煅芯咳樗峋挠绊?，整天在顯微鏡下看乳酸菌，到現(xiàn)在基本上不怎么喝酸奶了。

我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸奶一會(huì)可以實(shí)現(xiàn)超滑，一會(huì)又實(shí)現(xiàn)不了超滑。實(shí)驗(yàn)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)以后，超滑就消失了，酸奶超滑也是微現(xiàn)象。

雖然這次又做失敗了，但是我們發(fā)現(xiàn)了酸奶對(duì)摩擦系數(shù)的突降是真的。

后來(lái)我們研究它為什么會(huì)出現(xiàn)突降，在磺酸和丙三醇混合時(shí)就實(shí)現(xiàn)了超滑，非常穩(wěn)定，大概磨合了十分鐘左右，摩擦系數(shù)就能達(dá)到千分之二點(diǎn)八。

有一次我在杭州吃莼菜，發(fā)現(xiàn)莼菜用筷子怎么也夾不住，只能用勺子舀著吃。

我就讓學(xué)生做做實(shí)驗(yàn)，看有沒(méi)有超滑現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)它的摩擦系數(shù)達(dá)到千分之五，也是一種層狀的超滑材料。

磷酸是一種腐蝕劑，它有非常好的超滑性能。在超滑狀態(tài)的時(shí)候，基本上磨損也能接近于零，所以它是一個(gè)非常好的超滑現(xiàn)象。

這一下子給我們很大的啟迪，磷酸怎么實(shí)現(xiàn)超滑的？它的機(jī)理是什么？

一旦機(jī)理揭示出來(lái)，很多可能的超滑材料就會(huì)合成出來(lái)，所以我們的學(xué)生李津津在這方面，做了很重要的工作，發(fā)現(xiàn)了流體效應(yīng)會(huì)形成超滑。

什么是流體效應(yīng)？

一個(gè)人踩著滑板能夠滑行，也是一種流體效應(yīng)。流體動(dòng)壓效應(yīng)，可以把這個(gè)滑板給支撐起來(lái)。

有沒(méi)有非流體效應(yīng)的超滑？

我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用聚四氟乙烯和藍(lán)寶石進(jìn)行配對(duì)的時(shí)候，不用經(jīng)過(guò)任何磨合過(guò)程，也不用形成任何動(dòng)壓效應(yīng)，就會(huì)有超滑現(xiàn)象的存在。

超滑的摩擦系數(shù)跟速度基本上沒(méi)關(guān)系，是什么原因呢？

有兩種機(jī)理，其中一種叫做水合機(jī)理，水合作用相當(dāng)于一個(gè)金屬正離子吸附水分子在周圍形成了水合層，水合作用越強(qiáng)的液體，就會(huì)發(fā)現(xiàn)超滑形成。

而水合作用的距離，作用力非常短，而實(shí)驗(yàn)中膜厚經(jīng)常有幾十個(gè)納米，我們發(fā)現(xiàn)這可能跟雙電層有關(guān)。

雙電層也是兩個(gè)同等電荷形成斥力，分擔(dān)了一部分壓力。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出，紅色的實(shí)驗(yàn)曲線有雙電層（斥）力，幾乎沒(méi)有范德華引力過(guò)程，直接進(jìn)入了斥力范圍。

常規(guī)的會(huì)有范德華引力，雙電層（斥）力也可實(shí)現(xiàn)超滑，我們就可以根據(jù)超滑機(jī)理，控制超滑的出現(xiàn)和消失。

超滑的作用機(jī)理

歸納起來(lái)，超滑大概有三種機(jī)理：雙電層作用、流體動(dòng)壓效應(yīng)和水合作用，這是世界上公認(rèn)的三大機(jī)理。

其中的前兩種超滑機(jī)理，是我們這個(gè)研究組提出來(lái)的。

后來(lái)，我們對(duì)一大批液體，其中包括酸溶液、堿溶液、酸+醇溶液、油基，都實(shí)現(xiàn)了超滑。

當(dāng)超滑實(shí)現(xiàn)后，承壓的范圍只能到300兆帕。然而，要真正在工業(yè)上產(chǎn)生大量的應(yīng)用，就要把它的承載能力提高，提高到1吉帕以上。

我們又做了新的嘗試，提出固液耦合超滑，把石墨烯加強(qiáng)表面修飾，放到液體里把黑鱗表面修飾，看能不能提高承載能力？

后來(lái)，我們分別提高到600兆帕和1吉帕以上，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常高的承載能力的超滑。

在國(guó)際上，現(xiàn)在有這三大研究組進(jìn)行對(duì)比。一個(gè)是以色列的Klein小組，一個(gè)是日本的Adachi小組，還有一個(gè)是我們小組。

從溶液看，我們的體系已經(jīng)非常龐大了。從承載能力看的話，Klein小組大概到70兆帕，日本到100兆帕，我們現(xiàn)在到了1吉帕以上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提高。

在液體超滑論文方面，國(guó)內(nèi)主要是我們研究組做的。大概在2005年，我國(guó)就跟世界其他國(guó)家的總和差不多了，現(xiàn)在我們已經(jīng)超過(guò)世界其他國(guó)家的總和了。

客觀上說(shuō)，超滑想要推向應(yīng)用，必須解決這個(gè)矛盾：減少摩擦，需要弱的分子間作用；承受載荷，需要強(qiáng)的分子間作用。否則在載荷的作用下，液體就流到外邊，潤(rùn)滑就失效了。

所以，這就是矛盾。一個(gè)需要弱的分子間作用，而另一個(gè)需要強(qiáng)的分子間作用。

如何來(lái)解決這個(gè)矛盾，才是超滑應(yīng)用研究的關(guān)鍵。如果解決不了，超滑的比薩斜塔就會(huì)倒掉

超滑應(yīng)用到底有什么價(jià)值？

有人做過(guò)調(diào)查，如果全球轎車僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦系數(shù)降低到18%，每年可以節(jié)約5400多億人民幣的燃油損失，以及減少2.9億噸的二氧化碳排放。

如果不僅僅是18%，而是呈數(shù)量級(jí)的降低呢？那么應(yīng)用會(huì)非常的廣泛，意義重大。

所以，超滑將來(lái)可以在航天工業(yè)、交通工業(yè)、海洋工業(yè)等領(lǐng)域，有重大的應(yīng)用前景。

這幅圖說(shuō)的是，在公元前1800多年前，當(dāng)時(shí)人們用了加潤(rùn)滑技術(shù)，加滾動(dòng)技術(shù)，再加成千的人拉動(dòng)，最終移動(dòng)了一個(gè)60噸大雕塑。

我們假設(shè)，如果超滑實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)降到萬(wàn)分之一，那么雕塑的拉力也僅有6公斤，一個(gè)小孩可以拽著它跑。

從人類發(fā)展來(lái)說(shuō)，鉆木取火使人類從野蠻走向了文明，滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，就是現(xiàn)代軸承的發(fā)展，催生了現(xiàn)代工業(yè)。

那么，將來(lái)近零摩擦和近零磨損就會(huì)有更廣遠(yuǎn)的前景。超滑的應(yīng)用這扇大門已經(jīng)打開(kāi)了并逐步向工業(yè)界推廣。