当我们中的许多人都在小心翼翼地避免在霜冻天气中滑倒时，莱斯特大学的科学家们却在研究如何让路面变得更滑！他们解决了超润滑原理中的一个难题--在超润滑状态下，两个表面在相互滑动时的摩擦力很小，甚至几乎消失。他们将结论发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。
了解超润滑性
超润滑性与石墨烯等分子光滑表面有关，目前仅在实验室环境中观察到，这些表面是在纳米和微米尺度上合成的。与机器和机械装置中的传统摩擦力相比，超润滑有可能将摩擦力降低 1000 到 10000 倍。
大多数人都会凭直觉知道，重物的摩擦力（物体滑动的阻力）大于轻物，这也是 300 多年前提出的阿蒙顿-库仑摩擦定律。
然而，这并不适用于超润滑。这种现象比传统摩擦力小数万倍，而且摩擦力不取决于物体的重量。换句话说，将物体的重量从几克增加到几十公斤也不会改变摩擦力的大小。
"硅"全尺寸数值实验（MD模拟）的设置示意图。石墨烯层（红色）覆盖的铜尖端在另一层石墨烯层（蓝色）覆盖的铜基底上滑动。资料来源：莱斯特大学
摩擦新发现
但是，由莱斯特大学的尼古拉-布里连托夫教授领导的一个国际科学家小组现在发现，物体表面的"同步"波动是由表面原子的随机振动引起的，从而产生了摩擦。这种振动存在于任何非零温度下，其强度随温度降低而减弱。这意味着，通过降低表面温度，可以进一步降低摩擦的影响。
莱斯特计算机与数学科学学院的布里连托夫教授说："这种与普通摩擦力的巨大差异令人好奇，需要加以解释。超润滑还有其他令人惊讶的特点，例如摩擦力对滑动速度、温度和接触面积的异常依赖。所有这些依赖关系都与传统的阿蒙顿-库仑定律所预测的相反。解释超润滑的神秘行为将有助于控制超低摩擦，从而为其工业应用开辟令人惊叹的前景"。
研究方法和结果
为了研究超润滑性的原理，他们创建了两个分子光滑表面的接触--一个尖端在基底上滑动，两个表面都覆盖了石墨烯层--并使用横向力显微镜测量了摩擦力。他们还利用分子动力学模拟进行了"硅"全尺寸数值实验，以创建一个非常逼真的真实现象模型。
两个表面应该是不相称的，这意味着一个表面的分子结构中的潜在"山丘"不应该与另一个表面的潜在"井"相吻合。这两个表面就像放在一起的两个鸡蛋盒：如果它们贴合在一起，它们就会锁住，需要更大的力才能导致滑动。
如果表面的温度不为零，摩擦力就会出现，这是由于热波动引起的表面波纹造成的。科学家们证明，"同步"热波动是造成摩擦力的原因，即两个表面同时弯曲，并保持紧密接触。表面温度越高，同步波动的振幅就越大；接触面积越大，阻碍相对运动的表面波动数量就越多。
对未来的影响
布里连托夫教授补充道："我们已经能够解释摩擦力独立于物体重量这一神秘现象的原子机制，并为超润滑性制定了新的摩擦定律。这些定律虽然与阿蒙顿-库仑定律形成鲜明对比，但却很好地描述了这一现象。一旦生产出毫米或厘米级的光滑表面分子层，机器和机构中所有移动、旋转和摆动的触点都将覆盖这种表面层。这将在全球范围内大幅降低能耗。为了进一步降低能耗，最大的触点将可能保持在低温状态"。
编译来源：ScitechDaily
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