摩擦革命：一种制造超光滑材料的方法

罗兹大学物理与应用信息学院的科学家在《Small》杂志上发表了一篇关于摩擦的文章。他们对石墨表面移动的“铋岛”的研究证实了一种全新形式的所谓超润滑性的存在——两个固体之间的无摩擦接触。

这一发现可能会彻底改变我们未来设计纳米级机器甚至车辆的方式。通过了解这些过程，我们可以创建可以更有效地运行的设备，从而节省能源和资源。

Hab博士领导的科学家。罗兹大学副教授PawełKowalczyk发现了一种与摩擦消失有关的新现象——超润滑性。在铋和石墨这两种固体材料的接触处观察到了这种特殊现象。

铋有意沉积在石墨（与铅笔芯中的材料相同）的表面上，形成极其平坦的晶体，其厚度仅为2个原子宽。第一个惊喜是铋晶体在石墨烯表面上沿着直线移动。这是关于这一现象的首次报道，改变了我们对材料摩擦和粘附的看法，并为减摩开辟了未来的研发思路。

超润滑性是固体材料之间的摩擦变得难以察觉的状态。在正常情况下，两个表面之间的摩擦使得它们难以相对于彼此移动，因为有力将两种材料中的原子结合在一起，就像通过微小的弹簧连接一样。

然而，在超润滑系统中，这些微小的弹簧非常弱，以至于两个物体可以毫无阻力地移动。多年来，这种现象已经相对众所周知，这也是许多商用润滑剂含有石墨的原因。石墨中的原子层结合较弱，很容易相互滑动。

到目前为止，超润滑性一直是各向同性的：摩擦力在所有方向上都是相等的。现在，随着这一新发现，一种新的超润滑形式已经实现，其中仅在一个方向上的摩擦为零，而在其他方向上具有常规摩擦。

你甚至可以在家里做这个实验。使用石墨基铅笔后，洗手前，将涂有石墨的手指揉在一起。你实际上可以感觉到极低的摩擦力，因为你的指尖可以很容易地移动，整个东西感觉非常“滑”。

本文中呈现的显微镜序列表明，沉积在石墨表面上的铋晶体根本不是静止的。虽然它们是固体，但它们的行为有点像热表面上的油滴，并且不断地从一个地方移动到另一个地方。

令人惊讶的是，由于其原子晶格的非常特殊的排列，它们的运动总是沿着直线进行的。这些直线让人联想到高速公路，因为它们能够使晶体沿一个方向快速集体运动，所以被称为纳米高速公路。

当测量晶体轨迹的统计分布时，事实证明，它可以用幂律来描述——也就是说，大多数铋晶体在表面上自发地沿着非常短的距离移动，例如10或20nm的非常短的长度；但相当数量的晶体也行进了高达1000nm的更大距离。有趣的是，这些纳米公路长度遵循一种称为“莱维飞行”的随机游走。这种在表面上统计移动的方式在固体材料的研究中极为罕见。

这种运动特别有趣，因为它发生在自然界的许多意想不到的领域，特别是在集体和智能系统中，比如寻找食物的动物。为了生存，觅食模式会得到优化，偶尔会进行较大的旅行距离，以避免在空旷地区寻找食物太久。这不仅发生在自然系统中，也发生在人类系统中：互联网和股市上的信息流也根据莱维的飞行统计数据表现。

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这一发现可能对纳米技术的未来产生重大影响。例如，通过了解这些岛是如何在石墨上移动的，科学家们可以开发出摩擦低得多的材料，这种材料在微观系统中比在大型物体中更常见。

此类材料可用于各种设备，从精密机械到车辆，由于摩擦更低，这些设备将更高效，磨损更少。反过来，这将使我们能够节省能源成本（移动物体所花费的能量不会转化为热量）和节省材料（需要更少的维修），这将对环境产生积极影响。如果可以完全消除社会上的摩擦，人类将节省近四分之一的碳排放。

未来，研究人员计划进行更多的研究，使他们能够更好地了解各种因素，如温度、岛的大小和石墨表面缺陷的类型，是如何影响这些岛的摩擦和运动的。他们也在寻找具有类似性能的其他材料。p