出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

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當(dāng)我們觀看滑冰比賽的時候，有沒有想過為什么滑冰運(yùn)動員能在冰上飛速疾馳？其實(shí)，這與冰的物理性質(zhì)、摩擦力的變化密切相關(guān)。

當(dāng)滑冰運(yùn)動員的體重集中在冰刀的窄刃上時，產(chǎn)生的巨大壓力會使冰局部融化，從而使得固態(tài)冰在接觸冰刀時部分轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，形成一層薄薄的水膜。這層水膜作為潤滑劑，極大地減少了冰刀與冰面之間的摩擦力，使得滑冰者能夠順利滑行。

滑冰時冰局部融化減少摩擦力

（圖片來源：AI生成）

在滑冰的過程中，盡管摩擦力很小但它仍然存在，如果動作暫停，滑冰運(yùn)動員最終還是會停下來。那么，是否存在一種“無摩擦”的冰呢？

微觀世界中水的摩擦力

我們先從水說起。在宏觀世界中，可能找不到“無摩擦”的水，但與宏觀世界中水的輸運(yùn)不同，在微觀世界里，當(dāng)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“超潤滑效應(yīng)”。

宏觀世界的摩擦與微觀世界的不同

（圖片來源：AI生成）

在納米尺度的通道中，水流動時摩擦力顯著降低，表現(xiàn)出類似于“超潤滑的滑動”的現(xiàn)象。這意味著水可以以非常高的速度通過這些狹窄的通道，而所需的推動力非常小。這種現(xiàn)象在碳納米管和其他納米結(jié)構(gòu)中尤為明顯。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用不同材料制造納米級的通道時，水的運(yùn)輸性質(zhì)有著極大差異。比如使用結(jié)構(gòu)相似的石墨烯和六方氮化硼來制作納米通道，水在石墨烯通道中的透過率要比氮化硼中高10-100倍。那在石墨烯通道中的摩擦力會是在氮化硼中的百分之一嗎？通過理論預(yù)測，這兩個體系摩擦力僅相差3-5倍，事實(shí)真的像理論預(yù)測的一樣嗎？

水如何實(shí)現(xiàn)超潤滑？

2024年6月14日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了北京大學(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(tuán)隊(duì)的研究成果，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。

石墨烯和氮化硼表面上的二維冰結(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

二維冰是什么？超潤滑行為又是什么？低維受限又是什么？我們來一個一個給大家講清楚。

“低維受限”指的是水分子在納米尺度或更小的維度（如二維或一維）中受到幾何結(jié)構(gòu)的限制。這種限制通常發(fā)生在極薄的石墨烯材料表面（二維）或非常狹窄的納米通道中（一維）。由于幾何結(jié)構(gòu)的限制，水分子的運(yùn)動被約束在特定的維度和方向，不能像在三維空間中那樣自由移動，水往往呈現(xiàn)出類冰的結(jié)構(gòu)。

二維冰是指在納米尺度下，水分子在二維平面上形成的有序結(jié)構(gòu)。由于納米通道或平面材料（如石墨烯）的限制，水分子無法像在三維空間中那樣自由移動，而是排列成蜂窩狀的六邊形晶格，類似于冰的結(jié)構(gòu)。簡單來說，你可以把二維冰想象成一張又薄又軟的“冰布”。

超潤滑行為是指在兩個表面之間的摩擦力極低，幾乎為零的現(xiàn)象。這通常發(fā)生在特定條件下，如納米尺度、極其平滑的表面或特殊的界面結(jié)構(gòu)，使得原子或分子之間的相互作用力無法形成足夠的阻力，從而實(shí)現(xiàn)無摩擦的滑動。

冰在光滑的表面上滑動示意圖

（圖片來源：AI生成）

也就是說，在納米尺度上，一塊“冰布”可以在石墨烯表面沒有摩擦力地滑動！

如何測量微觀的二維冰的摩擦力？

江穎團(tuán)隊(duì)利用國產(chǎn)的qPlus型掃描探針顯微鏡，可以直接看到石墨烯和氮化硼表面上的二維冰原子結(jié)構(gòu)，它們都呈現(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。

石墨烯表面（G\I）與氮化硼（H/J）上最穩(wěn)定的二維水結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

同時，要想測到摩擦力，需要找一個東西去推石墨烯表面上的二維冰，但是在面對大面積且脆弱的二維冰時，想要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而精準(zhǔn)的操控和摩擦力測量并非易事。他們制備了一種特殊的掃描探針顯微鏡的針尖，去移動微觀表面上的二維冰。

在宏觀世界中，摩擦力與表面積無關(guān)，而在微觀世界中，由于實(shí)際接觸面積和分子間相互作用的影響，摩擦力與表面積有關(guān)。研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯表面，隨著二維冰面積的增大，單位面積的摩擦力迅速減小，最終低于1皮牛，這與超潤滑現(xiàn)象的理論預(yù)測相符。

石墨烯表面上較大的二維冰，其靜摩擦系數(shù)甚至可以低于0.01，證實(shí)了其超潤滑特性。而在氮化硼表面，二維冰的單位面積摩擦力始終保持在較高的恒定值，表現(xiàn)出傳統(tǒng)的摩擦行為。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬高度一致。

特殊的掃描探針顯微鏡的針尖移動微觀表面上的二維冰示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

為什么在石墨烯表面上的二維冰表現(xiàn)出超潤滑特性，而在氮化硼表面卻沒有呢？通過對二維冰和它們所在的基底進(jìn)行成像，研究人員發(fā)現(xiàn)，二維冰在石墨烯表面的超潤滑行為源于水分子和石墨烯之間的弱范德華相互作用以及二維冰和石墨烯晶格之間的不公度性。

弱范德華相互作用表示他們之間的吸引力很弱，不公度性指兩種不同的結(jié)構(gòu)無法完美地對齊，就像不配套的兩塊拼圖無法嚴(yán)絲合縫地拼在一起一樣。盡管氮化硼的晶格與石墨烯很相似，但由于硼-氮鍵的極性導(dǎo)致二維冰/氮化硼體系公度性較好，二維冰與氮化硼的晶格匹配得很好，被某些結(jié)構(gòu)“卡住了”，導(dǎo)致在氮化硼表面上無法實(shí)現(xiàn)超潤滑。

“超潤滑”巨大的應(yīng)用潛力

微觀水的“超潤滑”現(xiàn)象在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

首先，在微流體和納米技術(shù)中，超潤滑能夠顯著減少流動阻力，提高液體傳輸效率。這對于開發(fā)高效的微流體裝置，如用于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)和先進(jìn)的藥物輸送系統(tǒng)具有重要意義，可以顯著提升診斷和治療的速度和準(zhǔn)確性。

其次，利用水與石墨烯之間的超潤滑特性，未來的海水淡化設(shè)備將實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的水資源利用。

當(dāng)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)則被有效隔離在通道外。這樣不僅顯著降低了能耗，還減少了廢水和廢棄物的產(chǎn)生，真正實(shí)現(xiàn)了綠色、可持續(xù)的海水淡化。此技術(shù)的應(yīng)用將為解決全球水資源短缺問題提供一種革新性的解決方案，同時有助于環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約。

水的超潤滑現(xiàn)象在材料科學(xué)和納米技術(shù)中具有重要的應(yīng)用前景，相信在未來，這些應(yīng)用對于環(huán)境和人來說都有較大的助益。

參考文獻(xiàn)：

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來源: 中國科普博覽

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