“我們發(fā)現(xiàn)如果把冰結(jié)在石墨烯等特定材料上，只讓其生長一兩個分子層，我們稱其為二維冰，那么冰與材料表面之間的摩擦力就會消失。”6月14日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺教授江穎告訴科技日報記者。相關(guān)研究成果當(dāng)日發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

“人們很早就注意到了納米通道中水分子不受阻力影響進(jìn)行運動的現(xiàn)象。”江穎表示，低維受限條件下的水分子傳輸經(jīng)常會出現(xiàn)難以置信的快速，但整個過程很難捕捉。

得益于團(tuán)隊此前自主研發(fā)的原子級分辨率掃描探針顯微鏡，單個原子或分子能夠像拼插積木一樣被精確地移動和構(gòu)建。江穎介紹，在該技術(shù)支撐下，研究人員首先使銅表面的石墨烯和氮化硼襯底上生長出了二維冰島，并直接觀察到了二維冰島的微觀結(jié)構(gòu)。借助掃描探針顯微鏡的針尖，他們還提出了測量原子級別摩擦力的新方法。

“進(jìn)行摩擦力測量的二維冰由超過20000個水分子組成，和拼插積木一樣，面積越大、越薄就越脆弱。”論文共同第一作者、北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心博士趙正樸表示，對其實現(xiàn)穩(wěn)定而精準(zhǔn)的操控和摩擦力測量并非易事。為此，團(tuán)隊反復(fù)實驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰島進(jìn)行非破壞式地橫向操縱，并進(jìn)一步通過測量針尖與冰島的相互作用能，推算出二維冰島與襯底間的摩擦力。

測量結(jié)果與宏觀世界的規(guī)律截然不同。研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯表面，二維冰面積越大，單位面積的摩擦力越以冪指數(shù)遞減，直至趨近于零；在氮化硼表面，二維冰摩擦力與面積無關(guān)，始終為一個恒定值。

趙正樸介紹，分子動力學(xué)模擬進(jìn)一步驗證了研究結(jié)果。相互驗證的結(jié)果表明，石墨烯表面上尺寸較大的二維冰島，其靜摩擦系數(shù)可低于0.01，即近乎理想的無摩擦狀態(tài)，具備了超潤滑特性。

研究表明，納米通道中的水可能會形成有序的類冰結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生超潤滑輸運。“如果可以創(chuàng)造條件讓摩擦力消失，那么能量利用將更高效，比如利用超潤滑納米通道，水流將更高效地推動渦輪發(fā)電，實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。水過濾效率也可倍增，從而大幅降低海水淡化成本，解決水資源利用問題。”江穎表示，隨著超潤滑操控技術(shù)更加可及，無摩擦水輸運的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展。

（圖片由研究團(tuán)隊提供）