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清华在宏观尺度超润滑领域取得重大突破

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来源: 作者: 2019-05-17 02:25:42

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11月3日,国际纳米领域权威学术期刊《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)发表了题为《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》 (大气环境下厘米级长度双壁碳纳米管上的超润滑)的文章。该工作由清华大学化工系魏飞团队与清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心及北京大学信息学院合作完成。这是世界首次报道的大气环境下厘米以上长度碳纳米管管层间的超润滑现象,新手妈妈喂奶的九个错误做法
所实现的超润滑尺度比之前报导的最高值高出3个数量级,且摩擦剪切强度比以前烧烤蔬菜对牙齿也有危害
报导的最低值下降了4个数量级。《自然—纳米技术》同期刊出了专题评论文章,邀请世界著名摩擦理论专家、以色列特拉维夫大学教授Michael Urbakh对这1重大发现发表评论。

摩擦现象一直是人类面临的最具挑战性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次性能源由磨擦过程消耗,工业发达国家因摩擦磨损造成的损失可达GDP的5%-7%。而微观尺度上材料比表面积增大,使磨擦现象更加显著。随着现代制造技术发展,当系统尺寸缩小到微纳米尺度时,界面磨擦成为制约器件性能和寿命的关键因素。解决磨擦磨损问题的根本途径是实现固体界面之间的极低摩擦甚至零磨擦,即超润滑(也称结构润滑)。超润滑是指当晶体表面以非公度情势接触时,有可能出现界面磨擦和磨损几乎为零的现象。过去二十年中发现的超润滑现象主要集中在纳米尺度和高真空条件下。实现宏观尺度上的超润滑要求固体表面具有超高的模量,及在宏观尺度上原子级平整,无缺陷与位错,如此刻薄的条件使得人们普遍认为大尺度下几近不可能实现超润滑。

魏飞团队经过10余年攻关,成功制得半米长的碳纳米管,且证明了碳纳米管在长达数厘米的范围内无任何缺陷(多次发表在Adv. Mater.、ACS Nano、Chem Mater.等期刊上),为研究宏观尺度超润滑提供了理想材料。为此,他们还发展了单根碳纳米管的纳米颗粒标记技术,实现了光学环境及扫描电镜下对大尺度单根碳纳米管的定位与操纵(《自然-通讯》(Nature Commun., 2013, 4, 1727)),并在世界上首次用实验手段证明了大气环境下的宏观尺度超润滑现象,为下一代全碳电子器件构筑、超润滑机械开发和超高速微纳米机械、 电子器件制备提供了基础。

该系列研究得到了国家自然科学基金的持续支持(项目批准号:、、 、 及 )。

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