超导超滑（追求零摩擦之境）

超导超滑（追求零摩擦之境）在图 2（a）中，当两蛋盒取向一致时，上面蛋盒的突起恰好嵌入下面蛋盒的凹陷之中，他们刚好卡住。此时我们说上下表面匹配，并把这种情形称为 “公度” 接触。此时根据日常生活经验，我们知道要把两个蛋盒沿侧向拉开需要花费很大力气，且容易拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很大，很容易造成磨损。然而，如果我们将上面的蛋盒旋转一个角度之后再放到下面的蛋盒上，两个蛋盒就无法卡住了，如图 2（b）所示。此时我们说上下表面不匹配，并把这种情形称为 “非公度” 接触。此时只需要很小的力就能拉动上面的蛋盒，并且蛋盒不会拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很小，磨损几乎为零。图 2：（a）和（b）分别展示了二维下公度和非公度可以用鸡蛋盒来形象地理解[6]。那么，有没有哪种现实的技术有接近 “水滴” 那样的摩擦学性质呢？答案是有的，一个代表性的技术便是 2012 年前后开启的结构超滑技术[2-5]。结构超滑（structu

文 | 深圳清华大学研究院超滑技术研究所

图1：科幻小说《三体》三部曲中三体文明探测器“水滴”的想象图[1]。其表面绝对光滑，不会有任何摩擦磨损，材料强度极高。

在刘慈欣的著名科幻小说《三体》三部曲中，三体文明的宇宙探测器 “水滴” 无疑是极强大又极唯美、令人震撼的存在。“水滴” 这名称来自探测器的外形（图 1）。在小说的设定里，由于 “水滴” 表面的所有原子都被强相互作用力死死地钉在一起，其表面呈现出原子级的绝对光滑，不会有任何摩擦和磨损。并且，“它的强度比太阳系中最坚固的物质还要高百倍，这个世界中的所有物质在它面前都像纸片般脆弱，它可以像子弹穿透奶酪那样穿过地球，表面不受丝毫损伤”（摘自小说原文）。在小说情节里，“水滴” 正是靠着它的超高材料强度，和零摩擦零磨损的摩擦学特性，只是利用最原始的撞击，就让人类两千多艘太空战舰几乎全军覆没，而它自己却没有任何损伤。

小说写到，“水滴则外形完美。。。用精致的唯美消弭了一切功能和技术的内涵，表现出哲学和艺术的轻逸和超脱”。“水滴” 在材料力学和摩擦学方面达到的技术境界确实令人神往。然而，根据人类目前的科学理论，原子间的相互作用不可能是强相互作用，而是弱很多的电磁相互作用，因此，上述 “水滴” 无法被制造出来。

那么，有没有哪种现实的技术有接近 “水滴” 那样的摩擦学性质呢？答案是有的，一个代表性的技术便是 2012 年前后开启的结构超滑技术[2-5]。

结构超滑技术

结构超滑（structural superlubricity），我们定义为直接接触（不需要加润滑剂）的两固体表面间相对滑动时，摩擦力几乎为零、磨损为零的状态 [4 5]。在这种状态下，其摩擦系数一般小至0.001量级或更低。长期以来，这种 “零” 摩擦状态只存在于科幻和理论猜测中。而现在，单个接触区域面积达 100 平方微米量级的结构超滑已经能成熟地实现。单个更大接触面积乃至宏观的结构超滑的实现，仍然在研究之中 [5]。另外，结构超滑体系接触面两边材料的某些强度确实很强（比钢铁强上百倍），表面也做到了纳米级的平滑，这两点和 “水滴” 也是有相似之处的。

那么，结构超滑体系是如何实现这些优异的摩擦学特性的呢？为了解释结构超滑的基本原理，我们需要引入 “公度” 与 “非公度” 的概念。这个概念的严格定义比较复杂。我们这里就用日常生活中常见的鸡蛋盒为例来简单说明，让读者朋友有个直观的认识。如图 2 所示，我们用两个蛋盒类比两个相同的晶格表面。晶格指晶体内原子排列的具体形式，而晶体可以简单理解为原子周期性规则排列形成的固体。

图 2：（a）和（b）分别展示了二维下公度和非公度可以用鸡蛋盒来形象地理解[6]。

在图 2（a）中，当两蛋盒取向一致时，上面蛋盒的突起恰好嵌入下面蛋盒的凹陷之中，他们刚好卡住。此时我们说上下表面匹配，并把这种情形称为 “公度” 接触。此时根据日常生活经验，我们知道要把两个蛋盒沿侧向拉开需要花费很大力气，且容易拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很大，很容易造成磨损。然而，如果我们将上面的蛋盒旋转一个角度之后再放到下面的蛋盒上，两个蛋盒就无法卡住了，如图 2（b）所示。此时我们说上下表面不匹配，并把这种情形称为 “非公度” 接触。此时只需要很小的力就能拉动上面的蛋盒，并且蛋盒不会拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很小，磨损几乎为零。

因此，简单来说，结构超滑体系正是通过非公度接触，才实现了优异的摩擦学特性。目前，微米尺度的结构超滑，主要由微米尺寸的石墨块和石墨等材料的接触实现。

了解了结构超滑的基本原理和实现方式后，让我们来看看结构超滑技术可能具有什么改变我们生活的颠覆性应用。

在我们日常生活中，要降低无处不在的摩擦和磨损，使用润滑液是常见的做法。例如，自行车车轴上使用的润滑油，降低了相关零件的摩擦磨损，增长了自行车使用寿命。

但在微纳小尺度下（比人的头发丝直径更小），摩擦和磨损等表面效应会比在宏观尺度下更为显著【注一】。然而，在微纳小尺度接触面中使用润滑液却存在很大的困难。这是因为润滑液在微小尺度的限制下会非常粘稠（想象下粘稠的沥青），以及容易在压力下被挤出接触面，造成润滑失效[5]。因此，对于微小器件来说，由于无法使用润滑液，要降低摩擦磨损就必须避免器件里运动部件间的接触，这也成为了长期以来微小器件的普遍设计 “准则”。我们日常使用的各种电子设备，比如手机、电脑中，会大量用到这些微小器件。因此，这个设计 “准则” 极大地限制了研究者和发明家对于微小器件乃至各种电子设备的想象和发明。结构超滑技术完全不需要润滑液，恰恰能颠覆式地突破以上设计 “准则” 的限制，赋予各种器件和电子设备设计全新的想象空间。

我们团队目前正在研发的四项结构超滑应用技术，包括超滑微发电机、超滑机械硬盘存储技术、超滑射频开关、超滑微谐振器，正是巧妙利用了结构超滑技术，为相关技术领域的痛点问题提供了颠覆性的解决思路。关于这些应用技术的细节，读者朋友可参考我们在 “超滑论坛” 置顶的结构超滑深度科普文（http://www.superlubricity.com/cn/，可点击论坛标签进入超滑论坛）。

结构超滑技术是一项平台性技术，除了以上提到的应用外，还有极大潜力被应用在高端制造、物联网、生物技术、绿色环保、航空航天等众多领域，催生一系列 “从 0 到 1” 的开创性和颠覆性技术。特别的，因为第四次工业革命的很多领域（如物联网和生物技术）都会以微米尺度的元件作为基础元件之一，而微米尺度的结构超滑技术已经成熟，因此这些颠覆性应用可望助推第四次工业革命。为了加快结构超滑技术的产业转化，在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下，拥有相关世界顶尖技术和设备的全球第一个超滑技术研究所（简称 “超滑所”）于 2020 年 11 月在深圳坪山正式启动运行[7]。超滑所由结构超滑技术的开拓者、中科院院士、清华大学教授郑泉水领衔，成员和合作者包括了结构超滑相关领域全世界最顶尖的一批专家，以及有志于结构超滑技术颠覆性应用的研发和商业化人员。

新科研模式探索

对于科研来说，科研想法（ideas）的开创性和绝妙程度（即契合某领域发展需要的程度），决定了最终科研成果的档次和影响力。在传统的科研模式中，很多 ideas 产生自科研团队内部的交流，以及学术会议或访问时研究者与少数同行的交流。然而，在这样的科研模式下，由于参与人员的背景单一且人数少，ideas 产生总量也就很小，不同领域的 ideas 碰撞交流产生新的绝妙 ideas 的几率也小。我们认为，对于第四次工业革命这样涵盖众多领域，且需要各领域紧密联系、协同发展的产业革命来说，传统的科研模式已经无法满足科技迅猛发展的需要，新的科研模式急需探索。其中，如何链接众多领域、倍增初始 ideas 的总量和多元性、以及加快众多 ideas 碰撞产生新 ideas 的速度，是新科研模式探索的重点之一。

我们目前的一个尝试，是通过创作上文提到的结构超滑 “深度科普文” 来充分调动全社会的理工人士的兴趣，激发他们产生与结构超滑科学与技术相关的科研 ideas。我们这里所谓的 “深度科普文”，是介于普通科普文（面向所有公众）和学术论文（主要面向某领域专业人士）之间的一种科普文模式。优秀的普通科普文虽然生动易懂、有趣、对读者友好、读者面极广，但干货量（即专业知识量）和深度不足以激发科研 ideas。学术论文虽然干货量和深度足够，但通常写得不够生动易懂有趣，其他领域的专业人士很难看明白，读者面很窄。深度科普文的干货量和深度介于普通科普文和学术论文之间，同时尽量兼具生动易懂、有趣、对读者友好、且有启发性的特点。这些特点让深度科普文能够比学术论文有更广的读者群体，特别是让其他领域的专业人士容易看懂，且容易激发读者产生 ideas。

我们的另一个尝试，是把激发起来的大量科研 ideas 和对结构超滑感兴趣的人群汇集起来，形成一个生态。其中，一个重要步骤是把大量 ideas 通过 ideas 征集大会（Open Call）的形式集中，并且通过头脑风暴等组织形式，让不同背景人士的 ideas 高效率地互相激发，产生更多绝妙、意想不到的 ideas。这种 ideas 激发模式，由郑泉水团队在清华大学创立，在过去几年通过 X-Ideas 活动不断探索和优化，取得了很好的效果[8 9]。超滑所拟在 2021 年 1 月 17-19 日（17 日报到注册）在深圳举办全球范围的结构超滑科学与技术 ideas 的 Open Call 大会。之后，超滑所会和产生优秀 ideas 的人士进一步合作，利用超滑所的科研平台，把这些 ideas 进一步发展、落实，最终产出开创性或者颠覆性的应用技术，进行产业化落地。

同时，我们也热诚欢迎所有对我们的主题（包括结构超滑、相关学科和产业、和新科研模式探索）感兴趣的人士加入我们的网络兴趣社区（即上文提到的超滑论坛），在论坛里充分自由地探讨交流。新 ideas 很可能会在论坛交流里诞生（参见之前众包科研的成功案例 Polymath 项目[10]）。或者大家可以直接和我们联系（ssl_contact@qq.com），以此建立长期合作关系。

我们在结构超滑深度科普文中，除了介绍超滑所正在研究的四项应用技术（作为对读者的启发），也详细解说了结构超滑的科学原理，并且讲解了结构超滑实验现象与技术。鉴于摩擦和磨损问题在各个领域广泛存在，我们相信，这几项应用技术仅仅是冰山一角，结构超滑技术的其他可能应用超出我们团队目前的想象。

我们认为，存在两种顶尖级 ideas：一种是巧妙利用结构超滑技术，创造性地解决某个领域的现有痛点问题，最终满足人们的需求；另一种是用天马行空的想象力和洞察力，天才般地创造出新的应用领域，从而塑造人们的需求（例如乔布斯的那些改变整个行业的 ideas）。我们坚信，想象力和创造力是人与生俱来的本能与天性。即使后天的学习、经验、社会文化对这种天性有所遮蔽，我们也有办法去除遮蔽，重现创造力天性的本来面目。我们尝试的跨领域的深度科普文、Open Call 头脑风暴、网络论坛自由交流就是激发创造力的方法和途径。读者朋友，您可能来自不同的理工专业领域，可能是本科生，甚至可能是学有余力、自学了一些本科课程的高中生，也可能是某领域的专家。无论您的背景和年龄如何，我们相信，您一定有潜力可以通过我们提供的这些途径和方法，激发创造力，产生顶尖 ideas，最终通过开创性、颠覆性的技术重塑整个行业，改变世界。

我们相信，读者朋友您的热心参与和分享推荐，加上我们超滑所的努力尝试，很可能会对中国目前的产业升级起重要的促进作用，助推第四次工业革命更快地实现，改变我们的生活。

注释

注一：通常，一个物体的表面力和其表面积（近似正比于物体尺寸的平方）成正比，体积力（如重力）和体积（近似正比于尺寸的立方）成正比，所以表面力和体积力的比值 (即表体比) 和物体尺寸成反比，例如对于尺寸为 1 米的物体，其表体比为 1，而对于尺寸为 1 微米的物体，其表体比高达 10 的 6 次方 。因此，在宏观大尺度下，表面力远远小于体积力，可以忽略不计。而在微纳小尺度下，表面力则远远大于体积力，表面力的效应非常显著。

参考文献

1. 此图已获得图片创作者章彦博授权使用.

2. Zheng Q. et al. Self-retracting motion of graphite microflakes. Phys. Rev. Lett. 100 1–4 (2008).

3. Liu Z. et al. Observation of Microscale Superlubricity in Graphite. Phys. Rev. Lett. 108 205503 (2012).

4. 郑泉水，欧阳稳根，马明，张首沫，赵治华，董华来，林立。超润滑：“零” 摩擦的世界。科技导报 34 12–26 (2016).

5. Hod O. Meyer E. Zheng Q. & Urbakh M. Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales. Nature 563 485–492 (2018).

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Superlubricity.

7. http://ipingshan.sznews.com/content/2019-10/16/content_22547761.htm.

8. https://news.tsinghua.edu.cn/info/1003/18366.htm.

9. https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMjgzNTE4Mw==&mid=2247485267&idx=1&sn=8923b3ae4c2280c4574d8171c795a65a&chksm=e8263fd3df51b6c51f1cc3a7d75a0e9e67977d6c6e2a4f94654a0d4ed4333af9f8a29bd6916a&mpshare=1&scene=1&srcid=0903hwSRN83nDJDxHhtnZt7V&sharer_sharetime.

10. https://en.wikipedia.org/wiki/Polymath_Project.