在光滑如鏡的冰面上，滑冰者可以毫不費力地疾馳而過(guò)，幾乎沒(méi)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(huì )停下來(lái)。那么，是否存在一種“無(wú)摩擦”的冰呢？
近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)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(guān)成果6月14日發(fā)表于《科學(xué)》。
“超潤滑常見(jiàn)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(lèi)似于冰的有序結構，并表現出超潤滑特性，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(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)的發(fā)展。
無(wú)摩擦的水輸運
在傳統的觀(guān)念中，液體在固體表面流動(dòng)時(shí)，會(huì )受到摩擦力的阻礙。與宏觀(guān)世界中水的輸運不同，在微觀(guān)世界里，當水通道的尺寸小到幾個(gè)納米甚至亞納米的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生許多有趣的現象。比如，在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時(shí)，仿佛進(jìn)入了一個(gè)意想不到的滑冰場(chǎng)。
這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現出了超乎尋常的無(wú)摩擦輸運特性，即超潤滑性。然而，“水是如何實(shí)現超潤滑的呢？受限體系中水的結構又是怎樣的呢？”
諾貝爾物理學(xué)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(xué)會(huì )議上提出的這些問(wèn)題讓江穎不斷思考著(zhù)。
此外，當使用不同的材料來(lái)制造納米流體器件時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現水在這些器件中的輸運性質(zhì)表現出了極大的差異。例如，盡管石墨烯和六方氮化硼在結構上非常相似，但水在石墨烯納米通道中的透過(guò)率卻比在氮化硼納米通道要大一到兩個(gè)數量級。然而，理論預測這兩個(gè)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構和摩擦力面臨著(zhù)巨大挑戰，這些謎團仍然懸而未決。
經(jīng)過(guò)6年的時(shí)間，江穎的思考最終有了結果。
揭秘二維冰的“超潤滑”
考慮到低維納米通道內的水往往呈現出類(lèi)冰的結構，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構。結果表明，這兩種表面上的二維冰都呈現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(dòng)單個(gè)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(shí)，想要實(shí)現穩定而精準的操控和摩擦力測量并非易事。
該研究團隊通過(guò)反復的實(shí)驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰島進(jìn)行非破壞式的操縱。
“經(jīng)過(guò)反復的討論和理論模擬，我們發(fā)展了一種新方法，通過(guò)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(xué)物理學(xué)院博士研究生趙正樸說(shuō)。
研究人員發(fā)現，在石墨烯表面，隨著(zhù)二維冰面積的增大，單位面積的摩擦力卻在以-0.5的冪指數逐漸減小，直至小于極低的1皮牛，這一行為與超潤滑現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(gè)較高的恒定值，是傳統的摩擦行為。這些實(shí)驗結果與理論模擬的結果保持了高度的一致。
進(jìn)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，其靜摩擦系數甚至可以低于0.01，證實(shí)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出如此出色的超潤滑特性，而在氮化硼表面卻不能呢？通過(guò)同時(shí)對二維冰的晶格和它們所在的襯底晶格進(jìn)行成像，研究人員發(fā)現，石墨烯表面的二維冰展現出了兩個(gè)互成30°夾角的氫鍵網(wǎng)絡(luò )取向，且與石墨烯的晶格之間并沒(méi)有明顯的匹配關(guān)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很好的公度關(guān)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(gè)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構超潤滑現象提供了首個(gè)確鑿的實(shí)驗證據，揭示了其不同于傳統超潤滑體系的微觀(guān)機理。”江穎告訴《中國科學(xué)報》，納米通道中的水流不再是簡(jiǎn)單的液體流，而可能形成類(lèi)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(lái)的海水淡化設備將能夠實(shí)現更高效、更環(huán)保的水資源利用。當海水通過(guò)石墨烯納米通道時(shí)，水分子可以毫無(wú)阻礙地通過(guò)，而鹽分和其他雜質(zhì)則被留在通道外。這樣一來(lái)，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(shí)現了綠色、可持續的海水淡化。
利用石墨烯納米通道作為過(guò)濾介質(zhì)，可以實(shí)現對水中微小顆粒的高效攔截和過(guò)濾。由于石墨烯納米通道的孔徑可以精確控制，因此可以實(shí)現對不同大小顆粒的精確過(guò)濾。
同時(shí)，由于石墨烯表面的超潤滑特性，使得過(guò)濾過(guò)程更加順暢和高效。這種高效的納米過(guò)濾技術(shù)將在水處理、空氣凈化等領(lǐng)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(dòng)渦輪旋轉，進(jìn)而產(chǎn)生電能。這種高效的能量轉換方式，在微觀(guān)尺度上提供了全新的能量捕獲方法，有望為微納系統供電提供新思路。
想象一下，在能源、水凈化、生物醫學(xué)等領(lǐng)域，這些系統可能會(huì )帶來(lái)更高的效率和更廣泛的應用。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米流體的超潤滑操控技術(shù)將成為推動(dòng)未來(lái)科技創(chuàng )新的重要力量，為人們的生活帶來(lái)更多驚喜和可能性。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.ado1544
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