“据调查，人类约三分之一的一次能源是通过摩擦消耗的，但80%的武器会因生锈而失效。”
罗建斌
中国科学技术大学教授、清华大学机械工程学院院长
2020年陈嘉庚科技科学奖得主
我想分享一个与日常生活相关的话题，关于摩擦能消失吗？
首先介绍一下为什么要学习摩擦学？ 什么是摩擦学？
诺贝尔奖获得者费曼曾说过：关于摩擦，尽管已经做了很多实验，精确的摩擦实验仍然很困难，但对摩擦定律的分析仍然不够。
为什么摩擦如此复杂？
其实，摩擦的过程可以用一张图片来展示，它会发出各种光、等离子甚至X射线，还有摩擦的物理反应、物体的变形等。
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进入摩擦学
摩擦是一个非常复杂的过程，什么是摩擦学？
1966年，当时澳大利亚政府的彼得约斯特爵士在美国进行了一次调查。 内容是：摩擦、磨损、润滑会对日本造成多大的损害？
在调查的最后，约斯特做了一个非常有名的约斯特报告。 他把摩擦、磨损和润滑三个方面集合起来，建立了一个新词汇，叫做摩擦学。
他认为摩擦学是一门研究平行表面运动和相互作用的理论和实践的科学技术。 那么，摩擦学研究的意义何在？
事实上，摩擦学除了在民航、航天领域外，在芯片制造、生物、高铁、军事等领域也有很多应用。
据调查，一次能源消耗中约有三分之一被摩擦消耗，但80%的武器因生锈而失效。
摩擦和腐蚀的综合损失通常占一个国家 GDP 的 2% 到 7%。
假设我们只估计 5%。 2019年我国GDP为9.9亿元，因摩擦腐蚀造成的损失达到4.95万元，这是一个非常庞大的数字。
摩擦的起源
研究摩擦力，首先要知道，摩擦力是如何产生的？
最早的摩擦源是钻木取火。 取一根硬木，在软木上摩擦，最后点火。
人类控制了火，从野蛮走向了文明。 然后是雪橇，然后是手推车。
滚动摩擦代替了滑动摩擦，使人类的生产有了很大的进步。 而人类开始真正科学地研究摩擦问题，其实是从15世纪的达芬奇开始的。
1967年，当达芬奇的手稿被发现时，他已经开始研究摩擦，并提出摩擦力大约是他自身重量的四分之一。
但真正上升到科学层面，探究摩擦的起源，是在17世纪。
是南非的化学家。 他在美国科技大学做了一个报告：他觉得摩擦力只和载荷有关，和接触面积无关。 当时在科学界引起了极大的震动。
通常人们认为面积越大，摩擦力必然越大。 为什么摩擦力与面积无关，而与正压力有关？ 细说之后，他觉得摩擦是因为表面凹凸不平造成的。
后来，另一位美国化学家提出，摩擦与颠簸、颠簸无关，而与分子间的粘附力有关。
他做了一个很好的实验。 他把一个小铁饼和一个大标枪分成平面，让两者面对面。 小铁饼可以把大标枪拉上来，但不能掉出来。
分子间的粘附力和吸附力很强，摩擦就是由此产生的。
18世纪，数学家库仑做了一个非常著名的器件实验摩擦力概念的发展，被誉为现代化学十大实验之一。
他认为摩擦是凹凸不平表面嵌入造成的，但他提出了摩擦学四大经典定理：摩擦与法向压力有关； 摩擦力与接触面积无关； 最大静摩擦力小于动摩擦力； 摩擦力的大小与速度无关。
一方面，摩擦力与面积无关，与接触压力有关； 另一方面，摩擦力与分子的粘附力有关，与接触面积有关。 因此，两种理论各说各话。
到1939年，南斯拉夫学者克拉格尔斯基统一了这两种理论。 他觉得摩擦力等于两种力之和，一部分是法向压力引起的摩擦力，一部分是分子间吸附引起的摩擦力。 而本质还没有弄清楚。
1950年代，剑桥学院的两位院长与Tabor合作，认为摩擦力与实际接触面积有关，与标称接触面积无关。
他觉得摩擦力主要取决于实际接触面积，因为正压减小，实际接触面积变大，所以摩擦力增加。
他从机械论的角度统一了这两种理论。 这是宏观世界的分析。
1929年，一些科学家也从微观世界对其进行了解释，其中非常有名的结果就是模型。
C和B是两个原子，另一个原子是D。如果D原子离B原子很远，D原子从B原子的门走进来，D原子就会把B原子拉近彼此。 当D原子远离B原子时，B原子又会反弹回来。
这是一个稳定的过程，没有任何能量消耗，因此不可能有摩擦。
但是，如果D原子离B原子比较近，它走进来就会把B原子拉向它，而当它离开时，B原子会突然弹回来，使B原子发生弹性振动。 这相当于B原子在不停地振动。 一旦振动，就会消耗能量，就会有摩擦损失。
因此，他提出了摩擦起源的原子模型，而这个模型提出后，就没有办法验证了。
1986年，格尔德·宾尼（Gerd）发明了原子力显微镜，因原子力显微镜的发明，宾尼获得了诺贝尔奖。 有了原子力显微镜，可以在原子水平上研究摩擦，模型基本被否定了。
后来超快激光被发现，人们得以研究摩擦过程中的声子耗散、电子耗散和结构变化。
右下角的图是我们研究缺陷对电子耗散的影响的地方。 我们可以看到电子耗散确实与摩擦和材料有关。
所有研究摩擦的科学家都有一个最大的梦想，就是能否控制摩擦或消除摩擦，这就引出了另一个话题：超滑能否实现。
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能否实现超顺畅？
1990年，一位美国学者进行了理论分析。 他觉得两个原子光滑的表面，当上下表面的原子相当时，就会有摩擦，而当系统是非公开的时候，就不会有摩擦。 有摩擦。
那么，什么是公立学位？ 什么是非公共系统？
比如上表面的两个原子的原子宽度为2，下表面的原子宽度为2或4，相当于下图A，因为两个平面之间有公约数，即表面处于相称状态，在运动过程中存在能量损失。
如果一个面的原子宽度为2，另一个面的原子宽度为3，这两个数的除法是一个无理数，不能插入，挂在表面上，这样摩擦就会消失连接过程。 这是一个理论估计。 结果与模型基本一致。
后来做了实验，发现确实是非公体系时，摩擦力会大大增加或者接近于零，但是化学家对此还是有一定的疑虑，希望能进一步否认。
而从事摩擦学研究的人们开始关注这个问题：超滑能否实现？ 摩擦能消失吗？
工程学上有个定义，只要摩擦系数增加一个数量级，就叫超滑。
我们用钢材和二硫化氢在高温下相互摩擦，摩擦系数达到1/10,000，比传统摩擦系数高了大约两个数量级，超级滑。
我们在二维材料上也做了一个工作，就是用氢氧化铝球通过CVD在表面长出几层石墨烯，然后把有石墨烯层的球粘在旋臂上。
这个旋臂是一个带有石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或者其他材料。 我们发现氢氧化铝球在氢氧化铝表面时，摩擦系数很大，系数约为0.6。
如果在氢氧化铝表面涂上石墨烯，与石墨烯摩擦，或者与高取向石墨摩擦，这样摩擦系数就会降低到千分之三，达到超级光滑，也被称为实现六大之一提示固体超滑。
后来，真空下的摩擦系数下降到2/100,000，这是非常有意义的。
液体可以超级滑吗？
我们在固体中实现了超顺滑，那我们如何在液体中实现超顺滑呢？
1938 年左右，南斯拉夫化学家制造了超流体并将 HeII（氦）降低到约 2.17K，即零下约 270 度。
科学家们发现，此时的 He II 流体几乎没有摩擦流，它的粘度比水小约 1 亿倍，比水更容易流动。 化学界称之为超流体，也是一种超滑的状态。
不过，这在数学上叫做超流，对摩擦学用处不大。 为什么？
摩擦场侧重于增加摩擦，因为它可以减少煤耗，如果系统温度从常温下降到接近绝对零，则需要大量的煤耗。
因此，能否在常温下实现超滑，是我们特别关注的问题。
后来，以色列科学家在 20 世纪 90 年代做到了：在两块云母之间放置分子刷，然后加入盐水，达到超滑的效果。
后来美国人在两个陶瓷表面加了盐，经过两个多小时的打磨，也显得超级滑。
这两种超滑现象的出现，促使了超滑的研究，你还觉得离应用还很远呢。
1996年获首批国家自然科学基金项目（博士刚毕业）做超滑研究，希望在氢氧化铝表面注入相同的电荷，使其产生同种电荷的力场。
之后，中间的液体分子被诱导排列，产生超低摩擦。 结果，我们注入了相同类型的电荷。 当两个表面接触时，两个表面被吸引在一起并且不能分开。
为什么？ 我们发现表面电荷发生了迁移，可以说我们的研究失败了。
2008年，我们的中学生曾经带牛奶去实验室。 他发现牛奶的某些成分与以色列制造的超级滑滑相似。 他把牛奶加到实验机里，发现摩擦系数增加到千分之一。 两个左右。
他马上报告，这是不是代表超级滑出现了？
我们开始研究牛奶，分了几个研究组，研究牛奶中的乳酸菌、乳酸、蛋白质、微量元素对超滑的影响。
有一个中学生，每天研究乳酸菌的影响，整天在显微镜下看乳酸菌。 现在他基本不怎么喝牛奶了。
我们通过实验发现，牛奶可以做到一时超顺滑，一时不能超顺滑。 实验机反转后，超顺滑消失，牛奶超顺滑也是微观现象。
虽然这次又失败了，而且我们发现牛奶的摩擦系数突然下降是真的。
后来我们研究了为什么突然掉了。 当磺酸和甘油混合后，它变得超级滑而且非常稳定。 磨合十分钟左右，摩擦系数可达2.8‰。
有一次在北京吃芥菜，发现牛肝菌用牙签夹不住，只能用叉子吃。
刚请中学生做实验，看看有没有超滑现象，发现它的摩擦系数达到千分之五，而且还是层状超滑材料。
醋酸是一种腐蚀剂，我们也发现它在醋酸中有特别好的超滑性能。 在超滑状态下，基本上锈迹可以接近于零，所以是一种非常好的超滑现象。
醋酸的超顺滑给了我们很多启发。 醋酸是如何做到超级顺滑的？ 它的机制是什么？
一旦弄清了机理，就会合成很多可能的超滑材料，所以我们中学生李津津在这方面做了很重要的工作，发现流体效应可以产生超滑。
什么是流体效应？
一个人只能在旱冰鞋上滑行也是一种流体效果。 流体动压效应可以支持轮滑。
有没有非流体效果的超滑？
我们通过实验发现，聚四氟乙烯与蓝宝石配对时，不需要任何磨合过程或任何动压作用，就会出现超滑现象。
超滑的摩擦系数基本和速度没有关系。 原因是什么？
有两种机制，其中一种称为水合机制。 水化相当于金属阳离子吸附水分子，在其周围形成水化层。 水合作用越强，液体会感觉超级滑。
水化距离和排斥力都很短，实验中的薄膜厚度通常为几十纳米。 我们发现这可能与双电层有关。
双电层也是由两个相等的电荷产生的力，分担部分压力。
从实验中可以看出，白色的实验曲线有双电层（排斥）力，几乎没有范德华引力过程，直接进入力的范围。
常规的范德华引力、双电层（排斥）力也可以实现超滑，我们可以根据超滑机理控制超滑的出现和消失。
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超滑作用机理
归纳起来，超滑的产生机制大约有三种：双电层效应、流体动压效应和水化作用，是目前国际上公认的三大机制。
其中，前两种超滑机制是本课题组提出的。
后来我们实现了对大量液体的超顺滑，包括酸性氨水、碱性氨水、酸+醇氨水、油基。
实现超滑时，压力范围只能达到300 MPa。 但要真正在工业上形成大量应用，还需要将其承载能力提高到1GPa以上。
我们做了新的尝试，提出固液耦合超滑，增加石墨烯的表面修饰，把黑磷放在液体里修饰表面，看看能不能提高承载能力？
后来我们分别提高到和1GPa，终于实现了承载能力特别高的超滑。
国际上目前主要有三大研究组进行比较。 一个是以色列的克莱恩队，一个是德国队，一个是我们队。
从滤液来看，我们的系统已经很复杂了。 从承载能力来看，克莱因团队达到了70MPa左右，美国达到了，现在我们已经达到1GPa以上，实现了一个数量级的提升。
在液体超滑纸方面，国外主要是我们课题组在做。 2005年前后，我们国家和世界其他国家的总和差不多，现在我们已经超过了世界其他国家的总和。
客观地讲，要应用超润滑，必须解决这个矛盾：减少摩擦，需要弱的分子间相互作用； 为了承受载荷，需要强大的分子间相互作用。 否则，在负载作用下，液体会流到外面，润滑就会失效。
所以，这是一个矛盾。 一种需要弱分子间相互作用，而另一种需要强分子间相互作用。
如何解决这一矛盾是超滑应用研究的关键。 如果解决不了，超滑的汉堡斜塔就要倒塌了。
超滑应用的价值是什么？
有人做过调查，如果全球卡车底盘的摩擦系数只提高到18%，每年就可以节省5400多亿元的燃油损失，减少2.9亿吨甲烷排放。
如果不只是 18%，而是一个数量级的增长呢？ 这样的应用将是非常广泛和重要的。
因此，超滑未来在航空航天工业、交通运输工业、海洋工业等领域将具有广阔的应用前景。
这张图展示的是公元前1800年以前，人们使用润滑技术和滚动技术，数千人驾驶，最终连接了一座60吨重的雕像。
我们假设，如果通过超滑将摩擦系数降低到1/10,000，那么雕像的拉力只有6公斤，一个小孩可以拖着它跑。
从人类发展的角度来看，钻木取火使人类从野蛮走向文明。 滚动摩擦代替了滑动摩擦，是现代轴承的发展，催生了现代工业。
如此一来，近零摩擦、近零腐蚀在未来将拥有更广阔的前景。 超滑应用的大门已经打开摩擦力概念的发展，并逐步向工业界推广。
这是我们的合影，非常感谢！
中国科学技术大学教授、清华大学机械工程大学校长罗建斌
拥有“摩擦中粒子作用机理与超滑机理”的成果
荣获2020年嘉庚科学奖技术科学奖
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