卡物理學(xué)bug？科學(xué)家在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)了近乎零摩擦

過去二十多年里，物理學(xué)界一直在爭論一件事：
摩擦力，是否真的可以在現(xiàn)實(shí)尺度上被消除。

這個(gè)問題并不新。早在2004年，研究人員就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果將兩片石墨的晶格結(jié)構(gòu)以特定角度錯(cuò)開，它們在相對滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力可以下降到幾乎測量不到的程度。這種現(xiàn)象后來被稱為“結(jié)構(gòu)超潤滑”。

從理論上說，它意味著一種極端狀態(tài)：
兩個(gè)固體表面在接觸、承載、相對運(yùn)動(dòng)的情況下，幾乎不產(chǎn)生能量損耗，也幾乎沒有磨損。

但問題在于，這個(gè)現(xiàn)象長期只存在于顯微尺度。

在納米或微米尺度上，原子排列可以被高度控制，界面足夠理想，結(jié)構(gòu)超潤滑是可以穩(wěn)定出現(xiàn)的。但一旦尺寸放大，現(xiàn)實(shí)世界的問題就開始介入：材料會(huì)發(fā)生彈性形變，界面不可避免存在缺陷，晶格取向無法保持統(tǒng)一。許多物理學(xué)家因此認(rèn)為，結(jié)構(gòu)超潤滑在宏觀尺度下并不具備可實(shí)現(xiàn)性。

這也是爭論持續(xù)至今的原因。

近日，清華大學(xué)鄭泉水團(tuán)隊(duì)在《Physical Review Letters》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，首次在肉眼可見的尺度上，穩(wěn)定觀測到了結(jié)構(gòu)超潤滑效應(yīng)，并且在加載實(shí)際重量的情況下依然成立。

他們使用的材料并不是普通石墨，而是通過連續(xù)外延生長制備的單晶石墨薄膜。與常見多晶石墨不同，這種材料內(nèi)部的晶粒尺寸可以達(dá)到毫米量級，晶格取向高度一致，極大減少了界面隨機(jī)性帶來的破壞。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過精確控制薄膜的疊層方式，構(gòu)建出了接近無缺陷的石墨界面，使原子在宏觀面積上保持連續(xù)接觸，同時(shí)又避免了晶格的周期性鎖定。

結(jié)果是，摩擦力幾乎消失。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員在廣泛的載荷范圍內(nèi)測試了界面摩擦行為。即便隨著重量增加，界面被進(jìn)一步壓緊，摩擦力依然保持在極低水平。在部分條件下，他們甚至觀測到一種反直覺的現(xiàn)象：隨著載荷增加，測得的有效摩擦阻力反而下降。

按照他們的估算，在極端情況下，即便在上表面施加相當(dāng)于一頭成年大象重量的壓力，推動(dòng)界面所需的水平力也只有極小的量級。

更重要的是，這種行為并非石墨體系的特例。研究還發(fā)現(xiàn)，在石墨與二硫化鉬的界面上，同樣可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的宏觀結(jié)構(gòu)超潤滑。這說明該效應(yīng)并不依賴某一種特殊材料，而是可能存在于一類平整的層狀晶體體系中。

這項(xiàng)結(jié)果解決了一個(gè)長期存在的關(guān)鍵問題：
結(jié)構(gòu)超潤滑是否只能作為實(shí)驗(yàn)室中的理想化現(xiàn)象存在。

現(xiàn)在的答案是，它可以在真實(shí)尺度、真實(shí)載荷下出現(xiàn)。

當(dāng)然，這并不意味著工程應(yīng)用已經(jīng)觸手可及。單晶石墨薄膜的制備成本、界面的穩(wěn)定性、環(huán)境因素的干擾，仍然是必須面對的現(xiàn)實(shí)問題。但至少在物理層面，一個(gè)重要的限制已經(jīng)被移除。

摩擦力并不是自然界中不可挑戰(zhàn)的底線。
它并非必然存在，只是我們長期生活在一個(gè)材料缺陷占主導(dǎo)的世界里。

當(dāng)界面的結(jié)構(gòu)足夠理想，尺度不再成為障礙，摩擦力可以被壓縮到接近零的水平。這一點(diǎn)，已經(jīng)不再只是理論推演，而是被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的事實(shí)。

論文信息
Minhao Han et al., Observation of robust macroscale structural superlubricity,
Physical Review Letters (2026)
arXiv: 2601.00190