揭秘二维冰的超润滑现象

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本报北京6月18日电（记者晋浩天）世上是否存在“无摩擦”的冰？近日，北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授、王恩哥院士等组成的研究团队给出了肯定答案。他们利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，首次发现了二维冰在石墨烯表面上的超润滑行为，澄清了低维受限条件下超快水传输特性的根源。“超润滑常见于非公度的刚性晶体界面，因此，能在相对柔性的二维冰体系中发现超润滑现象是非常出人意料的。”王恩哥表示，这一结果将推动纳米流体工程和纳米摩擦学的发展。相关成果日前发表在国际学术期刊《科学》上。

“在传统观念中，液体在固体表面流动时，会受到摩擦力的阻碍。与宏观世界中水的输运不同，在微观世界里，当水通道的尺寸小到几个纳米甚至亚纳米的时候，会产生许多有趣的现象。”江颖说，如在纳米流体器件中，当水分子与石墨烯表面相遇时，就仿佛进入了一个意想不到的滑冰场。这些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力几乎为零，展现出了超乎寻常的无摩擦输运特性，即超润滑性。

江颖告诉记者，由于原子尺度受限体系中的水通常会形成类似于冰的结构，为此，研究团队利用qPlus型扫描探针显微镜这一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二维冰的原子结构。研究表明，这两种表面上的二维冰均呈现出双层自锁的六方冰相。石墨烯表面的二维冰展现出两个互成30度夹角的氢键网络取向，且与石墨烯晶格之间没有明显的匹配关系（非公度）。尽管氮化硼的晶格与石墨烯非常相似，但硼-氮键的极性使得二维冰与氮化硼的晶格呈现很好的公度关系。

借助扫描探针显微镜针尖，研究人员能像操控积木一样，精确移动单个原子或分子，甚至还能测量出原子级别的摩擦力。然而，在面对大面积且脆弱的二维冰时，想要实现稳定且精准的操控和摩擦力测量并非易事。研究人员通过反复实验尝试，制备出一种特殊形状的针尖，可对二维冰进行非破坏式的横向操纵。

“该研究为低维受限水输运中结构超润滑现象提供了首个确凿的实验证据，揭示了其不同于传统超润滑体系的微观机理。这些发现告诉我们，纳米通道中的水流不再是简单的液体流，而是可能形成类冰的超润滑输运。这不仅有助于我们理解受限体系中水的超快输运，而且将进一步激励新型超润滑和纳米流体系统的未来探索与实际应用。”江颖介绍，随着技术的不断进步，纳米流体的超润滑操纵技术将成为推动科技发展的重要力量。