湿度可能是超级润滑开关的关键

有时摩擦力是好的，比如道路和汽车轮胎之间的摩擦力可以防止车辆打滑。但有时摩擦是不好的——如果你不给同一辆车加油，发动机轴承的摩擦力就会很大，以至于汽车无法运行。

一种被称为超润滑的材料状态，两个接触表面之间的摩擦几乎消失，这是材料研究人员多年来研究的一种现象，因为它有可能降低能源成本和设备磨损，这是摩擦的两个主要缺点。然而，有时同一设备内需要摩擦，打开和关闭超级润滑的能力将有利于多种实际工程应用。

宾夕法尼亚州立大学化学工程特聘教授、化学工程系副主任Seong Kim和浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室及机械工程系研究员陈哲提出Applied Materials Today的一项研究 表明， 这种超润滑开关可能存在于潮湿环境中。具体来说，是有机化合物家族苯酚中的水蒸气和蒸气。

超润滑性是某些二维 (2D) 材料的关键特性，这些材料由单层原子组成，尤其是石墨烯和二硫化钼。石墨烯通常用作固体润滑剂，以涂层的形式存在于金属和塑料等各种材料上。对于石墨烯，原子以六边形方式定向，形成了这种山峦和山谷的景观，很像超市的鸡蛋箱。

“当你去商店购买装有 36 个鸡蛋的板条箱时，你会发现有波峰和波谷，这是一个高度波纹状的结构，”Kim 说。“如果你把两个鸡蛋板条箱放在一起，使格子面对并匹配，很难相互滑动，因为一个的峰在另一个的谷中。但是如果你稍微旋转一个，这样峰就不会进入谷中，它们可以很容易地滑动，因此石墨烯可以有超级润滑。”

将摩擦力降低到接近零有利于减少机械设备的磨损和节约能源。但它也可能是不受欢迎的。

“因为摩擦会造成卡车和汽车大约 25% 到 30% 的能量损失，并且会磨损机器部件，所以消除它可能会很好，”Kim 说。“但是，你可以想象，如果我们完全消除摩擦，我们没有任何牵引力。如果我们没有任何牵引力，那么这会使车辆或其他机器极难控制其运动。

这使得打开和关闭超级润滑的能力变得很重要;然而，长期以来，它一直被认为是一件极难做到甚至不可能做到的事情。最近，这种超润滑性被认为更有可能，涉及机械力、曝光等的想法是关闭和打开它的潜在方式。

然而，Kim 和他的团队通过改变环境，即通过水和苯酚蒸气使环境更加潮湿，发现了可喜的结果。

他们在石墨基面上使用氧化硅探针来证明这是如何实现的。硅通常用于具有微小运动部件的微机电系统 (MEMS)，并用于 Apple Watch 和手机中用于测量速度的加速度计等设备。

研究人员发现，二氧化硅尖端和石墨烯表面之间的纳米级超润滑性可以通过从环境中吸附不同分子来调节。他们发现水蒸气可使超低摩擦增加 25 倍，苯酚蒸气可增加 45 倍。当水被吸附在二氧化硅表面时，它会形成一种纳米结构，类似于固态冰的结构。

“当我们增加湿度时，水会出现在二氧化硅表面，”Kim 说，“我们可以重新排列结构，使冰晶格与石墨晶格相匹配。原子波纹相互匹配，然后摩擦力增加. 这项研究表明，如果我们能想出一种方法来控制材料的表面湿度，那将使二氧化硅以更工程化的方式在石墨表面上滑动。一旦我们做到了这一点，那么我们就可以开启超级润滑和关闭。

这项研究的下一步将是改进流程，使这项技术能够实际应用。Kim 指出，虽然超润滑开关的大规模宏观应用可能还有很长的路要走，但 MEMS 在手机和 Fitbits 等设备中的应用在更短的时间内是可能的。

“因为它们是非常小的设备，驱动力非常小，所以任何摩擦都会损坏设备，因此，为了防止此类故障问题，许多 MEMS 设备都有氯化碳涂层，但这些是有机涂层，”Kim 说. “然后那些有机涂层不能在重复的循环中持续很长时间，因为它们会磨损。但是如果我们可以将石墨烯作为涂层放入，然后我们可以控制摩擦的开关，那么我们就可以进行非常精确的运动“控制。然后工程师可以重新审视那些开发出来但由于摩擦问题而无法使用的旧设备和技术。这可能会带来更好甚至新的设备。”

金还指出，这篇研究论文是一项基础解释性研究，他指出这项研究中的发现说明了基础科学的重要性。

“如果我们只看我们的出版物而不做基础工作，我们将无法做出这种发现，”金说。“有些人可能认为突破是自然而然的，但要付出很多努力。我们不能忘记做导致这些研究合作和发现的基础科学。”

这项工作得到了国家科学基金会的支持。