超润滑:“零”摩擦的世界

2016年05月09日 11:18 来源:财新网 作者:撰文 | 郑泉水
“零”摩擦是纳米技术时代一个横跨物理、化学、力学、材料、机械、精密制造等诸多传统学科的交叉研究领域

  撰文 | 郑泉水(清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心教授)

  来源 | 科技导报

  01摩擦对人类的影响有多大?

  在人们生活中,摩擦随处可见。当行走在冰面或刚下过小雨的路面上,最好是迈小步,小心翼翼,以免滑倒(图1(a)),这是因为通常的鞋底与这些湿滑的路面只能产生较低的摩擦力,如果真的没有摩擦力或者摩擦力太小,人类便无法行走。当拖动一件笨重的家具时,需要花费九牛二虎之力以克服摩擦阻力移动家具,过程中也会因摩擦导致地板磨损(图1(b))。在寒冷的冬天,两个手掌相互间使劲搓几下,很快就会感觉手掌热起来了。进入中老年后,由于机体的自恢复功能减弱,膝关节的磨损将变得越来越严重,导致及肿痛,并难以恢复(图1(c)),因此,人到中年,一定要保护好膝关节,如注意减缓爬山之类带冲击性行走。以上选取生活中随手可拾的例子,目的是传递给读者一个概念,就是摩擦无处不在,并影响着人类生活的方方面面。

  图1 随处可见的摩擦。(a)北极熊在低摩擦的冰面上滑到§;(b)摩擦使得推动笨重的家具变得困难,并导致磨损,用放大镜看,家具与地板的接触面实际上是粗糙的(见(b)中小图)§;(c)膝关节的磨损带来疼痛§。

  人们很早就懂得利用摩擦解决问题。传说1万多年前,燧人氏发明了钻木取火(图2(a),通过摩擦生热取火),从而开启了华夏文明。而一些因摩擦带来的难题,也通过古人的经验得到了巧妙解决。

  图2 (a)中国海南省的一些少数民族仍然保留着钻木取火的古老习俗§;(b)存在了4000多年的Djehoutyhotep墓壁展现古埃及文明对摩擦知识的应用

  例如,600年前在建筑北京故宫时,重达100多吨的石块就是通过冰道从70 km之外的采矿场“滑”到故宫的[1]。古埃及人在没有任何机械辅助的情况下,如何将几十米之巨大的石雕像运送到沙漠中的金字塔附近的?对此,存在近4000年的Djehoutyhotep墓壁(图2(b))提供了重要线索:古埃及人将塑像放在木制沙舟上,由一群人拉着在沙地里滑行,而舟头所站之人,正不断将舟前的沙子淋湿,以降低摩擦[2]。

  人类对摩擦的研究可追溯到近代科技兴起之前的文艺复兴时期,以达芬奇(1452—1519)为杰出代表。由于摩擦来源和机理极其复杂,使得摩擦研究成为一项长期的艰难挑战,至今依然十分活跃[3~15]。

  摩擦及其引发的磨损,对当今世界范围内的能源、环境、技术和经济等层面有着巨大影响。例如,驱动汽车行驶的功率,约1/3~1/2用以克服各种摩擦[16],包括发动机内、传动部件之间、车体与空气、轮胎与路面间的摩擦。摩擦还会造成机器零部件的磨损,形成污染,并导致系统的可靠性和使用寿命降低,甚至引发灾难。据统计[17],全球约1/3的一次性能源浪费在摩擦过程中,约80%的机械零部件失效由于摩擦磨损造成,导致工业化国家经济损失高达GDP的5%~7%(若按中国2015年GDP约75万亿人民币元计算,摩擦造成的损失约合3.75万亿~5.25万亿人民币元)。此外,现代制造业的一个重要趋势就是精密化和小型化。如图3(a)所示,也许在不久的将来,会制造出一个极小的机器人清道夫,自如地进入人体的血管中清除血栓,或是准确地输运药物直达病灶。不幸的是,机器越小,则其单位体积的表面积则越大(图3(b)),摩擦磨损带来的影响也就越大(图3(c)[18]),这不仅消耗相对更多的能量,而且会导致这种微小型机器的寿命太短,无法得到实际应用。

  图3 (a)血管中的微小机器人想象图§;(b)随着尺寸减小,单位体积表面积则越大§;(c)微米齿轮机构极易发生磨损产生碎屑而失效[18]。

  总而言之,摩擦无时无刻都在影响着人类的生活,从古至今,人类已经习惯了利用或克服摩擦解决问题,并形成了“摩擦无处不在”的思维定势。很难想象当人处在“零”摩擦的世界时,能否像《镜中人》中林恩•罗克罗斯一样充满智慧地脱离困境?对于从事与摩擦相关的研究者和发明家来讲,如能突破这个思维定势,在“零”摩擦的世界里大胆地思考和尝试以前的“不可能”,定能产生不少很有意义的创新。