我国科学家创造出无摩擦力的冰

科技日报记者 张佳星

“我们发现如果把冰结在石墨烯等特定材料上，只让其生长一两个分子层，我们称其为二维冰，那么冰与材料表面之间的摩擦力就会消失。”6月14日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台教授江颖告诉科技日报记者。相关研究成果当日发表于国际顶级学术期刊《科学》。

“人们很早就注意到了纳米通道中水分子不受阻力影响进行运动的现象。”江颖表示，低维受限条件下的水分子传输经常会出现难以置信的快速，但整个过程很难捕捉。

得益于团队此前自主研发的原子级分辨率扫描探针显微镜，单个原子或分子能够像拼插积木一样被精确地移动和构建。江颖介绍，在该技术支撑下，研究人员首先使铜表面的石墨烯和氮化硼衬底上生长出了二维冰岛，并直接观察到了二维冰岛的微观结构。借助扫描探针显微镜的针尖，他们还提出了测量原子级别摩擦力的新方法。

“进行摩擦力测量的二维冰由超过20000个水分子组成，和拼插积木一样，面积越大、越薄就越脆弱。”论文共同第一作者、北京大学物理学院量子材料科学中心博士赵正朴表示，对其实现稳定而精准的操控和摩擦力测量并非易事。为此，团队反复实验尝试，制备出一种特殊形状的针尖，可对二维冰岛进行非破坏式地横向操纵，并进一步通过测量针尖与冰岛的相互作用能，推算出二维冰岛与衬底间的摩擦力。

测量结果与宏观世界的规律截然不同。研究发现，在石墨烯表面，二维冰面积越大，单位面积的摩擦力越以幂指数递减，直至趋近于零；在氮化硼表面，二维冰摩擦力与面积无关，始终为一个恒定值。

赵正朴介绍，分子动力学模拟进一步验证了研究结果。相互验证的结果表明，石墨烯表面上尺寸较大的二维冰岛，其静摩擦系数可低于0.01，即近乎理想的无摩擦状态，具备了超润滑特性。

研究表明，纳米通道中的水可能会形成有序的类冰结构，从而产生超润滑输运。“如果可以创造条件让摩擦力消失，那么能量利用将更高效，比如利用超润滑纳米通道，水流将更高效地推动涡轮发电，实现高效能量转换。水过滤效率也可倍增，从而大幅降低海水淡化成本，解决水资源利用问题。”江颖表示，随着超润滑操控技术更加可及，无摩擦水输运的应用领域将不断扩展。

（图片由研究团队提供）