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“我們發(fā)現(xiàn)如果把冰結在石墨烯等特定材料上，只讓其生長一兩個分子層，我們稱其為二維冰，那么冰與材料表面之間的摩擦力就會消失。”6月14日，北京大學物理學院量子材料科學中心、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺教授江穎告訴科技日報記者。相關研究成果當日發(fā)表于國際頂級學術期刊《科學》。
“人們很早就注意到了納米通道中水分子不受阻力影響進行運動的現(xiàn)象。”江穎表示，低維受限條件下的水分子傳輸經(jīng)常會出現(xiàn)難以置信的快速，但整個過程很難捕捉。
得益于團隊此前自主研發(fā)的原子級分辨率掃描探針顯微鏡，單個原子或分子能夠像拼插積木一樣被精確地移動和構建。江穎介紹，在該技術支撐下，研究人員首先使銅表面的石墨烯和氮化硼襯底上生長出了二維冰島，并直接觀察到了二維冰島的微觀結構。借助掃描探針顯微鏡的針尖，他們還提出了測量原子級別摩擦力的新方法。
“進行摩擦力測量的二維冰由超過20000個水分子組成，和拼插積木一樣，面積越大、越薄就越脆弱。”論文共同第一作者、北京大學物理學院量子材料科學中心博士趙正樸表示，對其實現(xiàn)穩(wěn)定而精準的操控和摩擦力測量并非易事。為此，團隊反復實驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰島進行非破壞式地橫向操縱，并進一步通過測量針尖與冰島的相互作用能，推算出二維冰島與襯底間的摩擦力。
測量結果與宏觀世界的規(guī)律截然不同。研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯表面，二維冰面積越大，單位面積的摩擦力越以冪指數(shù)遞減，直至趨近于零；在氮化硼表面，二維冰摩擦力與面積無關，始終為一個恒定值。
趙正樸介紹，分子動力學模擬進一步驗證了研究結果。相互驗證的結果表明，石墨烯表面上尺寸較大的二維冰島，其靜摩擦系數(shù)可低于0.01，即近乎理想的無摩擦狀態(tài)，具備了超潤滑特性。
研究表明，納米通道中的水可能會形成有序的類冰結構，從而產生超潤滑輸運。“如果可以創(chuàng)造條件讓摩擦力消失，那么能量利用將更高效，比如利用超潤滑納米通道，水流將更高效地推動渦輪發(fā)電，實現(xiàn)高效能量轉換。水過濾效率也可倍增，從而大幅降低海水淡化成本，解決水資源利用問題。”江穎表示，隨著超潤滑操控技術更加可及，無摩擦水輸運的應用領域將不斷擴展。
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