为低维受限条件下水输运超润滑现象提供实验证据
 

利用扫描探针显微镜针尖对冰岛进行操纵。课题组供图

    ■本报记者 崔雪芹

    在光滑如镜的冰面上，滑冰者可以毫不费力地疾驰而过，几乎没有阻力。这是因为冰表面有一层很薄的液态水，可以起到润滑作用。不过，摩擦力尽管很小但仍然存在，滑冰者最终还是会停下来。那么，是否存在一种“无摩擦的冰”呢？

    北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授、王恩哥院士等组成的研究团队给出了肯定答案。他们利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，发现了二维冰在石墨烯表面上的超润滑行为，澄清了低维受限条件下超快水传输特性的根源。相关成果6月14日发表于《科学》。

    “超润滑常见于非公度的刚性晶体界面，因此，能在相对柔性的二维冰体系中发现超润滑现象是非常出人意料的。原子尺度受限体系中的水很可能形成了类似于冰的有序结构，并表现出超润滑特性，这或许就是这些体系中超快水输运的起源。”王恩哥表示，这一机制将推动纳米流体工程和纳米摩擦学的发展。

    无摩擦的水输运

    在传统观念中，液体在固体表面流动时会受到摩擦力的阻碍。与宏观世界中水的输运不同，在微观世界里，当水通道的尺寸小到几纳米甚至亚纳米时，会产生许多有趣的现象。比如，在纳米流体器件中，当水分子与石墨烯表面相遇时，仿佛进入了一个意想不到的滑冰场。

    这些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力几乎为零，展现出了超乎寻常的无摩擦输运特性，即超润滑性。然而，水是如何实现超润滑的？受限体系中水的结构又是怎样的？

    诺贝尔物理学奖得主、“石墨烯之父”Andre Geim在2018年一次分子尺度水科学会议上提出的这些问题，引发了江颖的思考。

    此外，科学家发现，当使用不同材料制造纳米流体器件时，水在这些器件中的输运性质表现出极大的差异。例如，尽管石墨烯和六方氮化硼在结构上非常相似，但水在石墨烯纳米通道中的透过率比在氮化硼纳米通道中的大一到两个数量级。然而，理论预测这两个体系的摩擦力差异是三到五倍。

    由于直接测量受限水的结构和摩擦力面临巨大挑战，这些谜团仍然悬而未决。经过6年探索，江颖团队终于有了结果。

    揭秘二维冰的“超润滑”

    考虑到低维纳米通道内的水往往呈现出类冰的结构，为了深入探究超润滑机理，江颖团队利用qPlus型扫描探针显微镜这一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二维冰的原子结构。结果表明，这两种表面上的二维冰都呈现出双层互锁的六方冰相，这种二维冰相与表面之间形成了很弱的范德华相互作用。

    借助扫描探针显微镜的针尖，研究人员能够精确移动单个原子或分子，甚至测量出原子级别的摩擦力。然而，在面对大面积且脆弱的二维冰时，想要实现稳定而精准的操控和摩擦力测量并非易事。

    研究团队通过反复的实验尝试，制备出一种特殊形状的针尖，可对二维冰岛进行非破坏式的操纵。

    “经过反复的讨论和理论模拟，我们发展了一种新方法，通过测量针尖与冰岛的相互作用能，可以推算出二维冰岛与衬底之间本征的摩擦力。”论文第一作者、北京大学物理学院博士研究生赵正朴说。

研究人员发现，在石墨烯表面，随着二维冰面积的增大，单位面积的摩擦力却在以-0.5的幂指数逐渐减小，直至小于极低的1皮牛，这一行为与超润滑现象的理论预测相吻合。而在氮化硼表面，二维冰单位面积的摩擦力始终保持在一个较高的恒定值，是传统的摩擦行为。这些实验结果与理论模拟结果保持了高度一致。

    进一步模拟还表明，对于石墨烯表面上尺寸较大的二维冰岛，其静摩擦系数甚至低于0.01，证实了石墨烯表面二维冰的超润滑特性。

    为什么二维冰在石墨烯表面能够表现出如此出色的超润滑特性，而在氮化硼表面却不能呢？通过同时对二维冰的晶格及其所在的衬底晶格进行成像，研究人员发现，石墨烯表面的二维冰展现出两个互成30°夹角的氢键网络取向，且与石墨烯的晶格之间并没有明显的匹配关系（非公度）。尽管氮化硼的晶格与石墨烯非常相似，但硼-氮键的极性使得二维冰与氮化硼的晶格呈现很好的公度关系。

    如果把二维冰和衬底分别比作拼图块和拼图格，对于非公度的二维冰/石墨烯体系，拼图块就好像被放在了一个完全不匹配的拼图格上，想要移走它非常容易。因此，二维冰在石墨烯表面上是超润滑的。

    “超润滑”的应用潜力

    “这项研究为低维受限水输运中的结构超润滑现象提供了首个确凿的实验证据，揭示了其不同于传统超润滑体系的微观机理。”江颖告诉《中国科学报》，纳米通道中的水流不再是简单的液体流，而是可能形成类冰的超润滑输运，这为我们理解受限体系中水的超快输运提供了新认识。

    利用水与石墨烯之间的超润滑特性，未来的海水淡化设备将实现更高效、更环保的水资源利用。当海水通过石墨烯纳米通道时，水分子可以毫无阻碍地通过，而盐分和其他杂质则被留在通道外。这样一来，不仅能耗大大降低，产生的废水和废弃物也大大减少，真正实现了绿色、可持续的海水淡化。

    利用石墨烯纳米通道作为过滤介质，可以实现对水中微小颗粒的高效拦截和过滤。由于石墨烯纳米通道的孔径可以被精确控制，因此人们能够精准过滤不同大小的颗粒。

    同时，石墨烯表面的超润滑特性使得过滤过程更加顺畅和高效。这种高效的纳米过滤技术将在水处理、空气净化等领域发挥重要作用，为人们创造更加清洁、健康的生活环境。

    在纳米流器件如微型涡轮发电机中，利用超润滑纳米通道，可以使水流更加高效地推动涡轮旋转，进而产生电能。这种高效的能量转换方式，在微观尺度上提供了全新的能量捕获方法，有望为微纳系统供电提供新思路。

    在能源、水净化、生物医学等领域，这些系统可能会带来更高的效率、得到更广泛的应用。随着技术的不断进步，纳米流体的超润滑操控技术将成为推动未来科技创新的重要力量，为生产生活带来更多的可能。

    相关论文信息：

    https://doi.org/10.1126/science.ado1544

    《中国科学报》 (2024-06-17 第1版 要闻)