研究人员在超润滑方面取得了突破性的发现，证明了这种最小摩擦状态如何能彻底改变机械系统的能源效率。他们的研究表明，超润滑中的摩擦违反了传统规律，为减少全球能源消耗提供了有前途的应用。来源:SciTechDaily.com
由莱斯特大学领导的科学家们对超润滑性有了深入的了解表面的摩擦力极低。
当我们中的许多人在寒冷的天气里小心翼翼地走路以避免滑倒时，由莱斯特大学领导的科学家们一直在研究如何让路面更滑!
他们已经解决了超润滑原理中的一个难题——当两个表面相互滑动时，摩擦几乎消失。他们在《物理评论快报》的一篇论文中发表了他们的结论。
理解Superlubricity
超润滑性与分子光滑表面(如石墨烯)有关，仅在实验室环境中观察到，这些表面是在纳米和微米尺度上合成的。在技术应用方面，它看起来非常有前景，与机器和机械中的传统摩擦相比，它可能会将摩擦减少1000到10000倍。
大多数人凭直觉都知道，较重的物体的摩擦力——物体对滑动的阻力——比较轻的物体大，这也被称为300多年前制定的阿蒙顿-库仑摩擦定律。
然而，它不适用于超润滑。这种现象比传统的摩擦小几万倍，而且摩擦力不依赖于物体的重量。换句话说，将物体的重量从几克增加到几十公斤不会改变摩擦力的水平。
“在硅”数值实验(MD模拟)的设置说明。被石墨烯层(红色)覆盖的铜尖端在被另一层石墨烯层(蓝色)覆盖的铜衬底上滑动。来源:莱斯特大学
摩擦力的新发现
但是，由莱斯特大学的尼古拉·布里安托夫教授领导的一个国际科学家小组现在发现，由表面原子的随机振动引起的物体表面的“同步”波动会产生摩擦。这种振动存在于任何非零温度下，其强度随温度的降低而减小。这意味着，通过降低表面温度，摩擦的影响可以进一步降低。
莱斯特大学计算与数学科学学院的布里安托夫教授说:“这种与普通摩擦的巨大差异很有趣，需要解释。”超润滑还有其他令人惊讶的特征，如摩擦力与滑动速度、温度和接触面积的不同寻常的依赖关系。所有这些依赖关系都与传统的阿蒙顿-库仑定律所预测的相反。
“解释超润滑的神秘行为将有助于控制超低摩擦，这可以打开其工业应用的惊人视野。”
研究方法与结果
为了研究超润滑的原理，研究人员创造了两个分子光滑表面的接触——一个尖端在基底上滑动，两者都覆盖着石墨烯层——并使用横向力显微镜测量摩擦力。他们还使用分子动力学模拟技术进行了“计算机化”全尺寸数值实验，以创建一个非常逼真的真实现象模型。
这两个表面应该是不相称的，这意味着一个表面的分子结构中的势“丘”不应该适合另一个表面的势“井”。表面就像两个鸡蛋盒放在一起:如果它们合在一起，就会锁住，需要更大的力才能滑动。
如果表面的温度不为零，则由于热波动引起的表面波纹而出现摩擦力。科学家们证明，当两个表面同时弯曲，保持紧密接触时，“同步”热波动是摩擦的原因。表面温度越高，同步波动幅度越大;接触面积越大，阻碍相对运动的表面波动次数越多。
未来的意义
布里安托夫教授补充说:“我们已经能够解释摩擦力对物体重量的神秘独立性的原子机制，并为超润滑制定了新的摩擦定律。这些定律虽然与阿蒙顿-库仑定律截然不同，但却很好地描述了这一现象。
“一旦分子光滑表面层在毫米或厘米的尺度上产生，机器和机构中所有移动、旋转、振荡的接触点都将被这样的表面层覆盖。”这将大大减少全球的能源消耗。为了进一步降低能耗，最大的触点可能会保持在低温下。”
参考文献:“动力结构超润滑中摩擦力独立的原子机制”，作者:Nikolay V. Brilliantov, Alexey A. Tsukanov, Artem K. Grebenko, Albert G. Nasibulin, Igor A. Ostanin, 2023年12月26日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.266201
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