应Nature杂志邀请，郑泉水教授作为两位通信作者之一，和三位国外合作者在Nature上发表了题为“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”（Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales）的展望综述(Perspective) ，综述了结构超滑领域的过去、现在和未来发展趋势。文章系统回顾了结构超滑从纳米尺度到宏观尺度的里程碑发展，并分别介绍了纳米尺度、微米尺度、厘米尺度的结构超滑以及结构超滑在社会生活方方面面的应用现状、机遇和挑战。

摩擦和磨损涉及力学、材料、物理、化学等基础学科和机械、能源、环境、医疗等工程技术，对经济和人类社会影响巨大。据统计，全球约25%的一次性能源浪费在摩擦过程中，80%的机械部件损坏来自于磨损（单此一项就导致工业化国家经济损失约占GDP的5%～7%）。对未来影响更大的是，摩擦磨损使得许多梦寐以求、潜力无限的高端技术无法实现。

有没有可能实现近零摩擦和磨损呢？

图1. 结构超滑领域的里程碑事件

两个固体表面直接接触并相对滑移运动，摩擦磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。

早在1983年佩拉尔（M. Peyrard）和奥布里（S. Aubry）就利用一个十分简单、只含两个弹簧系数的Frenkel-Kontorova模型（简称FK模型），从理论上预测了两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面（如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面）之间存在几乎为零（简称“零”）摩擦、磨损的可能。近十年后平野（M.Hirano）等人通过FK模型的计算，再次提出了类似的预测，将其命名为超润滑（Superlubricity），并作了多次实验尝试。

此后，马丁（J.M. Martin）等于1993年实验观察到了摩擦系数低达10^-3量级的超低摩擦现象。由于长期没有证实佩拉尔等预测的超润滑概念，人们渐渐地将超低摩擦现象称作为超润滑，而将前者改称为结构润滑（Structural Lubricity）。

人类历史上第一次观察到结构超滑（Structural Superlubricity）是在2004年，由荷兰科学院院士弗伦肯（J. Frenken）领衔的团队在纳米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的条件下观察到石墨-石墨烯界面超滑。由于实验条件过于苛刻，无法投入实用。并且，包括弗伦肯本人在内的许多科学家都不仅认为，而且从理论上“证明”纳米以上尺度结构超滑难以实现。

图2. 纳米尺度的结构超滑

2008年，清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉研究中心暨摩擦学国家重点实验室的郑泉水教授团队在世界上首次实验实现了微米尺度结构超滑。2012年，郑泉水团队证实了这是结构超滑，从而颠覆了人们的有关认识。弗伦肯（J.Frenken）等在《化学世界》（Chemistry World）（2012）上评价：“这是一个聪明的、经过仔细设计且极具勇气的实验。该现象发生在介观尺度，立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用（“immediately brings it from academic to practical interest”）。

此后，全球性的结构超滑和极低摩擦研究都进入了一个加速增长期，研究者们在不同的系统中都观测到了结构润滑现象。清华大学除了以郑泉水教授为代表的研究团队在结构超滑领域处于国际领先地位之外，以雒建斌院士为代表的研究团队在固-液界面极低摩擦研究领域同样处于国际领先地位。

图3. 微米尺度的结构超滑

本文另外一位通讯作者为以色列特拉维夫大学化学学院奥德·霍德（Oded Hod）教授，三位国外合作者分别为以色列特拉维夫大学化学学院院长迈可·乌尔巴赫（Michael Urbakh）教授和奥德·霍德教授，以及瑞士巴塞尔大学物理系的厄恩斯特·迈耶（Ernst Meyer）教授。他们三位分别采用理论模型、分子动力学/第一原理计算、和实验方法研究纳米尺度结构超滑。

图4. 不同尺度的结构超滑的实际应用举例

作者简介：

郑泉水，1989年获清华大学博士学位，现为清华大学教授。2009年起担任清华学堂钱学森班创办首席教授；2010年起担任清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心创办主任。曾任清华大学工程力学系系主任、校学术委员会秘书长。曾任中国力学学会旗舰杂志《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编、中国力学学会学会副理事长。曾担任南昌大学高等研究院创办院长、清华大学-以色列特拉维夫大学XIN中心创办主任。

郑泉水目前的兴趣集中在结构超滑（近零摩擦、零磨损）、极端疏水、和人工智能张量底层技术的基础研究和源头创新技术开发，以及拔尖创新型学生的培养。尤其是他在结构超滑领域突破性工作，被评价为“立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用”，“极大地影响和推进我们的摩擦学领域”。在这些领域，他获得过国家自然科学奖二等奖两次（2004，2017，均为第一获奖人），国家级教学成果二等奖和一等奖各一次（2005，2018）。所指导的博士生中有三名获得了全国优秀博士学位论文。

代表性学术成果

[1]Zheng, Q.-S., Jiang, Q.: Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators.Physical Review Letters 88, 045503 (2002).

[2]Zheng, Q.-S. et al.: Self-retracting motion of graphite microflakes. PhysicalReview Letters 100,.067205 (2008).

[3]Liu, Z. et al.: Observation of microscale superlubricity in graphite. PhysicalReview Letters 108, 205503 (2012).

[4]Yang, J. et al.: Observation of high-speed microscale superlubricity ingraphite. Physical Review Letters 110, 255504 (2013).

[5]Zhang, R. et al.: Superlubricity in centimetres-long double-walled carbonnanotubes under ambient conditions. Nature Nanotechnology 8, 912-916 (2013).

[6]Song, Y. et al.: Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal BoronNitride layered heterojunctions. Nature Materials 17, 894–899 (2018).

[7]Hod, O. et al.: Structural superlubricity: Frictionless motion across thelength-scales. Nature 2018, 563, 485–492.

[8]Zheng, Q.-S. et al.: Effects of hydraulic pressure on the stability andtransition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir 21,12207-12212 (2005).

[9]Li, Y.-S., et al.: Monostable superrepellent materials. PNAS 114, 3387–3392(2017).

[10]Zheng, Q.-S. et al.: Small is beautiful, and dry. Science China - Physics,Mechanics & Astronomy 53, 2245–2259 (2010).

[11]Zheng, Q.-S.: On transversely isotropic, orthotropic and relative isotropicfunctions of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors: Parts I –V. International Journal of Engineering Science 31, 1399-1409; 1411-1423;1425-1433; 1435-1443; 1445-1453 (1993).

[12]Zheng, Q.-S.: Theory of representations for tensor functions — A unifiedinvariant approach to constitutive equations. Applied Mechanics Review 47,545-587 (1994).

注：本文综合整理自清华大学郑泉水教授官方介绍、Nature官网等