世上是否存在“無(wú)摩擦”的冰？近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎教授、王恩哥院士等組成的研究團(tuán)隊(duì)給出了肯定答案。他們利用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次發(fā)現(xiàn)了二維冰在石墨烯表面上的超潤(rùn)滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。“超潤(rùn)滑常見(jiàn)于非公度的剛性晶體界面，因此，能在相對(duì)柔性的二維冰體系中發(fā)現(xiàn)超潤(rùn)滑現(xiàn)象是非常出人意料的。”王恩哥表示，這一結(jié)果將推動(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)的發(fā)展。相關(guān)成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
“在傳統(tǒng)觀念中，液體在固體表面流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運(yùn)不同，在微觀世界里，當(dāng)水通道的尺寸小到幾個(gè)納米甚至亞納米的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。”江穎說(shuō)，如在納米流體器件中，當(dāng)水分子與石墨烯表面相遇時(shí)，就仿佛進(jìn)入了一個(gè)意想不到的滑冰場(chǎng)。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現(xiàn)出了超乎尋常的無(wú)摩擦輸運(yùn)特性，即超潤(rùn)滑性。
江穎告訴記者，由于原子尺度受限體系中的水通常會(huì)形成類(lèi)似于冰的結(jié)構(gòu)，為此，研究團(tuán)隊(duì)利用qPlus型掃描探針顯微鏡這一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二維冰的原子結(jié)構(gòu)。研究表明，這兩種表面上的二維冰均呈現(xiàn)出雙層自鎖的六方冰相。石墨烯表面的二維冰展現(xiàn)出兩個(gè)互成30度夾角的氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向，且與石墨烯晶格之間沒(méi)有明顯的匹配關(guān)系（非公度）。盡管氮化硼的晶格與石墨烯非常相似，但硼-氮鍵的極性使得二維冰與氮化硼的晶格呈現(xiàn)很好的公度關(guān)系。
借助掃描探針顯微鏡針尖，研究人員能像操控積木一樣，精確移動(dòng)單個(gè)原子或分子，甚至還能測(cè)量出原子級(jí)別的摩擦力。然而，在面對(duì)大面積且脆弱的二維冰時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且精準(zhǔn)的操控和摩擦力測(cè)量并非易事。研究人員通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對(duì)二維冰進(jìn)行非破壞式的橫向操縱。
“該研究為低維受限水輸運(yùn)中結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑現(xiàn)象提供了首個(gè)確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤(rùn)滑體系的微觀機(jī)理。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，納米通道中的水流不再是簡(jiǎn)單的液體流，而是可能形成類(lèi)冰的超潤(rùn)滑輸運(yùn)。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運(yùn)，而且將進(jìn)一步激勵(lì)新型超潤(rùn)滑和納米流體系統(tǒng)的未來(lái)探索與實(shí)際應(yīng)用。”江穎介紹，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米流體的超潤(rùn)滑操縱技術(shù)將成為推動(dòng)科技發(fā)展的重要力量。
世上是否存在“無(wú)摩擦”的冰？近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎教授、王恩哥院士等組成的研究團(tuán)隊(duì)給出了肯定答案。他們利用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次發(fā)現(xiàn)了二維冰在石墨烯表面上的超潤(rùn)滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。“超潤(rùn)滑常見(jiàn)于非公度的剛性晶體界面，因此，能在相對(duì)柔性的二維冰體系中發(fā)現(xiàn)超潤(rùn)滑現(xiàn)象是非常出人意料的。”王恩哥表示，這一結(jié)果將推動(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)的發(fā)展。相關(guān)成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
“在傳統(tǒng)觀念中，液體在固體表面流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運(yùn)不同，在微觀世界里，當(dāng)水通道的尺寸小到幾個(gè)納米甚至亞納米的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。”江穎說(shuō)，如在納米流體器件中，當(dāng)水分子與石墨烯表面相遇時(shí)，就仿佛進(jìn)入了一個(gè)意想不到的滑冰場(chǎng)。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現(xiàn)出了超乎尋常的無(wú)摩擦輸運(yùn)特性，即超潤(rùn)滑性。
江穎告訴記者，由于原子尺度受限體系中的水通常會(huì)形成類(lèi)似于冰的結(jié)構(gòu)，為此，研究團(tuán)隊(duì)利用qPlus型掃描探針顯微鏡這一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二維冰的原子結(jié)構(gòu)。研究表明，這兩種表面上的二維冰均呈現(xiàn)出雙層自鎖的六方冰相。石墨烯表面的二維冰展現(xiàn)出兩個(gè)互成30度夾角的氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向，且與石墨烯晶格之間沒(méi)有明顯的匹配關(guān)系（非公度）。盡管氮化硼的晶格與石墨烯非常相似，但硼-氮鍵的極性使得二維冰與氮化硼的晶格呈現(xiàn)很好的公度關(guān)系。
借助掃描探針顯微鏡針尖，研究人員能像操控積木一樣，精確移動(dòng)單個(gè)原子或分子，甚至還能測(cè)量出原子級(jí)別的摩擦力。然而，在面對(duì)大面積且脆弱的二維冰時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且精準(zhǔn)的操控和摩擦力測(cè)量并非易事。研究人員通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對(duì)二維冰進(jìn)行非破壞式的橫向操縱。
“該研究為低維受限水輸運(yùn)中結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑現(xiàn)象提供了首個(gè)確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤(rùn)滑體系的微觀機(jī)理。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，納米通道中的水流不再是簡(jiǎn)單的液體流，而是可能形成類(lèi)冰的超潤(rùn)滑輸運(yùn)。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運(yùn)，而且將進(jìn)一步激勵(lì)新型超潤(rùn)滑和納米流體系統(tǒng)的未來(lái)探索與實(shí)際應(yīng)用。”江穎介紹，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米流體的超潤(rùn)滑操縱技術(shù)將成為推動(dòng)科技發(fā)展的重要力量。
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