中國科學家首次發(fā)現(xiàn)“無摩擦的冰”
在光滑如鏡的冰面上，滑冰者可以毫不費力地疾馳而過，幾乎沒有阻力。這是因為冰表面有一層很薄的液態(tài)水，可以起到潤滑的作用。此刻的摩擦力盡管很小但仍然存在，滑冰者最終還是會停下來。那么，是否存在一種“無摩擦”的冰呢？
利用掃描探針顯微鏡針尖對冰島的操縱。（課題組供圖）
近日，北京大學物理學院量子材料科學中心江穎教授、王恩哥院士等組成的研究團隊給出了肯定的答案，他們利用自主研發(fā)的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了二維冰在石墨烯表面上的超潤滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。相關成果6月14日發(fā)表于《科學》。
“超潤滑常見于非公度的剛性晶體界面，能在相對柔性的二維冰體系中發(fā)現(xiàn)超潤滑是非常出人意料的。原子尺度受限體系中的水很可能形成了類似于冰的有序結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出超潤滑特性，這或許就是這些體系中超快水輸運的起源。”王恩哥表示，這一機制將推動納米流體工程和納米摩擦學的發(fā)展。
無摩擦的水輸運
在傳統(tǒng)的觀念中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界里，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，會產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。比如，在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時，仿佛進入了一個意想不到的滑冰場。
這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現(xiàn)出了超乎尋常的無摩擦輸運特性，即超潤滑性。然而，“水是如何實現(xiàn)超潤滑的呢？受限體系中水的結(jié)構(gòu)又是怎樣的呢？”
諾貝爾物理學獎得主、“石墨烯之父”Andre Geim教授在2018年的一次分子尺度水科學會議上提出的這些問題讓江穎不斷思考著。
此外，當使用不同的材料來制造納米流體器件時，科學家們發(fā)現(xiàn)水在這些器件中的輸運性質(zhì)表現(xiàn)出了極大的差異。例如，盡管石墨烯和六方氮化硼在結(jié)構(gòu)上非常相似，但水在石墨烯納米通道中的透過率卻比在氮化硼納米通道要大一到兩個數(shù)量級。然而，理論預測這兩個體系的摩擦力差異僅有三到五倍。
由于直接測量受限水的結(jié)構(gòu)和摩擦力面臨著巨大挑戰(zhàn)，這些謎團仍然懸而未決。
經(jīng)過6年的時間，江穎的思考最終有了結(jié)果。
揭秘二維冰的“超潤滑”
考慮到低維納米通道內(nèi)的水往往呈現(xiàn)出類冰的結(jié)構(gòu)，為了深入探究超潤滑的機理，江穎團隊利用qPlus型掃描探針顯微鏡這一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二維冰的原子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，這兩種表面上的二維冰都呈現(xiàn)出雙層互鎖的六方冰相，這種二維冰相與表面之間形成了很弱的范德華相互作用。
借助于掃描探針顯微鏡的針尖，研究人員能夠精確地移動單個原子或分子，甚至還能測量出原子級別的摩擦力。然而，在面對大面積且脆弱的二維冰時，想要實現(xiàn)穩(wěn)定而精準的操控和摩擦力測量并非易事。
該研究團隊通過反復的實驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰島進行非破壞式的操縱。
“經(jīng)過反復的討論和理論模擬，我們發(fā)展了一種新方法，通過測量針尖與冰島的相互作用能，可以推算出二維冰島與襯底之間本征的摩擦力。”文章的第一作者北京大學物理學院博士研究生趙正樸說。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯表面，隨著二維冰面積的增大，單位面積的摩擦力卻在以-0.5的冪指數(shù)逐漸減小，直至小于極低的1皮牛，這一行為與超潤滑現(xiàn)象的理論預測相吻合。而在氮化硼表面，二維冰單位面積的摩擦力始終保持在一個較高的恒定值，是傳統(tǒng)的摩擦行為。這些實驗結(jié)果與理論模擬的結(jié)果保持了高度的一致。
進一步的模擬還表明，對于石墨烯表面上尺寸較大的二維冰島，其靜摩擦系數(shù)甚至可以低于0.01，證實了石墨烯表面二維冰的超潤滑特性。
為什么二維冰在石墨烯表面能夠表現(xiàn)出如此出色的超潤滑特性，而在氮化硼表面卻不能呢？通過同時對二維冰的晶格和它們所在的襯底晶格進行成像，研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯表面的二維冰展現(xiàn)出了兩個互成30°夾角的氫鍵網(wǎng)絡取向，且與石墨烯的晶格之間并沒有明顯的匹配關系（非公度）。盡管氮化硼的晶格與石墨烯非常相似，但硼-氮鍵的極性使得二維冰與氮化硼的晶格呈現(xiàn)很好的公度關系。
如果把二維冰和襯底分別比作是拼圖塊和拼圖格，對于非公度的二維冰/石墨烯體系，拼圖塊就好像被放在了一個形狀完全不匹配的拼圖格上，想要移走它非常容易。因此，二維冰在石墨烯表面上是超潤滑的。
“超潤滑”巨大的應用潛力
“這項研究為低維受限水輸運中的結(jié)構(gòu)超潤滑現(xiàn)象提供了首個確鑿的實驗證據(jù)，揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤滑體系的微觀機理。”江穎告訴《中國科學報》，納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而可能形成類冰的超潤滑輸運，這為我們理解受限體系中水的超快輸運提供了新的認識。
利用水與石墨烯之間的超潤滑特性，未來的海水淡化設備將能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更環(huán)保的水資源利用。當海水通過石墨烯納米通道時，水分子可以毫無阻礙地通過，而鹽分和其他雜質(zhì)則被留在通道外。這樣一來，不僅能耗大大降低，而且產(chǎn)生的廢水和廢棄物也大大減少，真正實現(xiàn)了綠色、可持續(xù)的海水淡化。
利用石墨烯納米通道作為過濾介質(zhì)，可以實現(xiàn)對水中微小顆粒的高效攔截和過濾。由于石墨烯納米通道的孔徑可以精確控制，因此可以實現(xiàn)對不同大小顆粒的精確過濾。
同時，由于石墨烯表面的超潤滑特性，使得過濾過程更加順暢和高效。這種高效的納米過濾技術將在水處理、空氣凈化等領域發(fā)揮重要作用，為我們創(chuàng)造更加清潔、健康的生活環(huán)境。
在納米流器件中，如微型渦輪發(fā)電機，利用超潤滑納米通道，可以使得水流更加高效地推動渦輪旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生電能。這種高效的能量轉(zhuǎn)換方式，在微觀尺度上提供了全新的能量捕獲方法，有望為微納系統(tǒng)供電提供新思路。
想象一下，在能源、水凈化、生物醫(yī)學等領域，這些系統(tǒng)可能會帶來更高的效率和更廣泛的應用。隨著技術的不斷進步，納米流體的超潤滑操控技術將成為推動未來科技創(chuàng)新的重要力量，為人們的生活帶來更多驚喜和可能性。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado1544
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