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发布日期：2024-06-25 作者：开云
在滑腻如镜的冰面上，溜冰者可以绝不吃力地奔驰而过，几近没有阻力。这是由于冰概况有一层很薄的液态水，可以起到润滑的感化。此刻的磨擦力虽然很小但依然存在，溜冰者终究仍是会停下来。那末，是不是存在一种“无磨擦”的冰呢？
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操纵扫描探针显微镜针尖对冰岛的把持。（课题组供图）
近日，北京年夜学物理学院量子材料科学中间江颖传授、王恩哥院士等构成的研究团队给出了必定的谜底，他们操纵自立研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，发现了二维冰在石墨烯概况上的超润滑行动，澄清了低维受限前提下超快水传输特征的本源。相干功效6月14日颁发在《科学》。
“超润滑常见在非公度的刚性晶体界面，能在相对柔性的二维冰系统中发现超润滑长短常出人意表的。原子标准受限系统中的水极可能构成了近似在冰的有序布局，并表示出超润滑特征，这也许就是这些系统中超快水输运的发源。”王恩哥暗示，这一机制将鞭策纳米流体工程和纳米磨擦学的成长。
无磨擦的水输运
在传统的不雅念中，液体在固体概况活动时，会遭到磨擦力的阻碍。与宏不雅世界中水的输运分歧，在微不雅世界里，当水通道的尺寸小到几个纳米乃至亚纳米的时辰，会发生很多有趣的现象。好比，在纳米流体器件中，当水份子与石墨烯概况相遇时，恍如进入了一个意想不到的溜冰场。
这些水份子在石墨烯概况滑行自若，磨擦力几近为零，揭示出了超乎平常的无磨擦输运特征，即超润滑性。但是，“水是若何实现超润滑的呢？受限系统中水的布局又是如何的呢？”
诺贝尔物理学奖得主、“石墨烯之父”Andre Geim传授在2018年的一次份子标准水科学会议上提出的这些问题让江颖不竭思虑着。
另外，当利用分歧的材料来制造纳米流体器件时，科学家们发现水在这些器件中的输运性质表示出了极年夜的差别。例如，虽然石墨烯和六方氮化硼在布局上很是类似，但水在石墨烯纳米通道中的透过率却比在氮化硼纳米通道要年夜一到两个数目级。但是，理论猜测这两个别系的磨擦力差别唯一三到五倍。
因为直接丈量受限水的布局和磨擦力面对着庞大挑战，这些谜团依然悬而未决。
颠末6年的时候，江颖的思虑终究有告终果。
揭秘二维冰的“超润滑”
斟酌到低维纳米通道内的水常常显现出类冰的布局，为了深切探讨超润滑的机理，江颖团队操纵qPlus型扫描探针显微镜这一“奇异的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼概况上二维冰的原子布局。成果注解，这两种概况上的二维冰都显现出双层互锁的六方冰相，这类二维冰相与概况之间构成了很弱的范德华彼此感化。
借助在扫描探针显微镜的针尖，研究人员可以或许切确地移动单个原子或份子，乃至还能丈量出原子级此外磨擦力。但是，在面临年夜面积且懦弱的二维冰时，想要实现不变而精准的操控和磨擦力丈量并不是易事。
该研究团队经由过程频频的尝试测验考试，制备出一种非凡外形的针尖，可对二维冰岛进行非粉开云体育app碎式的把持。
“颠末频频的会商和理论摹拟，我们成长了一种新方式，经由过程丈量针尖与冰岛的彼此感化能，可以推算出二维冰岛与衬底之间本征的磨擦力。”文章的第一作者北京年夜学物理学院博士研究生赵正朴说。
研究人员发现，在石墨烯概况，跟着二维冰面积的增年夜，单元面积的磨擦力却在以-0.5的幂指数逐步减小，直至小在极低的1皮牛，这一行动与超润滑现象的理论猜测相吻合。而在氮化硼概况，二维冰单元面积的磨擦力始终连结在一个较高的恒定值，是传统的磨擦行动。这些尝试成果与理论摹拟的成果连结了高度的一致。
进一步的摹拟还注解，对石墨烯概况上尺寸较年夜的二维冰岛，其静磨擦系数乃至可以低在0.01，证实了石墨烯概况二维冰的超润滑特征。
为何二维冰在石墨烯概况可以或许表示出如斯超卓的超润滑特征，而在氮化硼概况却不克不及呢？经由过程同时对二维冰的晶格和它们地点的衬底晶格进行成像，研究人员发现，石墨烯概况的二维冰揭示出了两个互成30°夹角的氢键收集取向，且与石墨烯的晶格之间并没有较着的匹配关系（非公度）。虽然氮化硼的晶格与石墨烯很是类似，但硼-氮键的极性使得二维冰与氮化硼的晶格显现很好的公度关系。
假如把二维冰和衬底别离比作是拼图块和拼图格，对非公度的二维冰/石墨烯系统，拼图块就似乎被放在了一个外形完全不匹配的拼图格上，想要移走它很是轻易。是以，二维冰在石墨烯概况上是超润滑的。
“超润滑”庞大的利用潜力
“这项研究为低维受限水输运中的布局超润滑现象供给了首个确实的尝试证据，揭露了其分歧在传统超润滑系统的微不雅机理。”江颖告知《中国科学报》，纳米通道中的水流不再是简单的液体流，而可能构成类冰的超润滑输运，这为我们理解受限系统中水的超快输运供给了新的熟悉。
操纵水与石墨烯之间的超润滑特征，将来的海水淡化装备将可以或许实现更高效、更环保的水资本操纵。当海水经由过程石墨烯纳米通道时，水份子可以毫无阻碍地经由过程，而盐分和其他杂质则被留在通道外。如许一来，不但能耗年夜年夜下降，并且发生的废水和烧毁物也年夜年夜削减，真正实现了绿色、可延续的海水淡化。
操纵石墨烯纳米通道作为过滤介质，可以实现对水中细小颗粒的高效阻挡和过滤。因为石墨烯纳米通道的孔径可以切确节制，是以可以实现对分歧巨细颗粒的切确过滤。
同时，因为石墨烯概况的超润滑特征，使得过滤进程加倍顺畅和高效。这类高效的纳米过滤手艺将在水处置、空气净化等范畴阐扬主要感化，为我们缔造加倍洁净、健康的糊口情况。
在纳米流器件中，如微型涡轮发机电，操纵超润滑纳米通道，可使得水流加倍高效地鞭策涡轮扭转，进而发生电能。这类高效的能量转换体例，在微不雅标准上供给了全新的能量捕捉方式，有望为微纳系统供电供给新思绪。
想象一下，在能源、水净化、生物医学等范畴，这些系统可能会带来更高的效力和更普遍的利用。跟着手艺的不竭前进，纳米流体的超润滑操控手艺将成为鞭策将来科技立异的主要气力，为人们的糊口带来更多欣喜和可能性。
相干论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado1544
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