中国物理学家首次在肉眼可见的宏观尺度上，展示了两表面之间几乎被消除的摩擦现象。清华大学郑泉水团队在实验中实现并验证了“结构超润滑”（structural superlubricity，SSL），相关论文已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

宏观结构超润滑的工程意义

摩擦通常源于接触表面的粗糙度与微观结构差异，会阻碍相对滑动并带来能量损耗与磨损。早在2004年，物理学家曾证明，通过旋转两块石墨表面的分子结构，可使界面摩擦显著降低，形成结构超润滑效应。该效应被认为在原理上有望减少磨损并降低以废热形式损失的能量，因此长期受到工程领域关注。

论文合著者彭德利在研究中指出，尽管结构超润滑现象已被发现超过二十年，但此前主要局限在微观与纳米尺度系统；将其扩展到宏观尺寸，或在宏观载荷等更接近实际应用的条件下实现，一直被认为难度很高。

放大尺度的关键障碍

围绕宏观结构超润滑是否可行，学界长期存在争论。一些研究者认为，表面弹性效应以及缺陷（分子结构中不可避免的微小扰动）会破坏超润滑状态，使其难以在现实条件下维持。

研究团队指出，验证宏观效应的一大挑战在于真实石墨表面往往并非单晶结构，而是由多个“晶粒”组成：晶粒内部有序，但晶粒之间取向随机。由于晶粒尺寸通常只有几十微米，超润滑状态难以在更大尺度上持续。

单晶石墨薄膜与叠层方法

为突破上述限制，郑泉水团队采用连续外延生长的单晶石墨薄膜，将晶粒尺寸提升至毫米级，并结合更精细的叠层方法，以提高薄膜对齐精度。

彭德利表示，这一方案使研究人员能够构建亚毫米尺度、几乎无缺陷的界面，并在宏观区域内保持紧密的原子接触，从而跨越了传统实验系统在尺度上难以观察结构超润滑的障碍。

宏观载荷下仍保持近零摩擦

在宏观测试中，研究团队首次展示：即便在顶部表面施加不同重量载荷、使两表面接触更紧密的情况下，界面仍可维持近乎零摩擦。

研究还报告了在部分条件下出现“负摩擦”现象，即载荷增加时有效阻力反而减小。论文以极端情形作估算称，即使顶部表面承受相当于一头成年大象站立的载荷，也可能仅需相当于两个鸡蛋重量的力，或一阵轻风，就能使其发生运动。

此外，彭德利称，类似行为也出现在石墨与二硫化钼的界面，显示宏观尺度结构超润滑可能是平面层状材料界面中的一种普遍现象。