世上是否存在“無(wú)摩擦”的冰？近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎教授、王恩哥院士等組成的研究團隊給出了肯定答案。他們利用自主研發(fā)的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次發(fā)現了二維冰在石墨烯表面上的超潤滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源�！俺瑵櫥�常見(jiàn)于非公度的剛性晶體界面，因此，能在相對柔性的二維冰體系中發(fā)現超潤滑現象是非常出人意料的�！蓖醵鞲绫硎�，這一結果將推動(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)的發(fā)展。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

“在傳統觀(guān)念中，液體在固體表面流動(dòng)時(shí)，會(huì )受到摩擦力的阻礙。與宏觀(guān)世界中水的輸運不同，在微觀(guān)世界里，當水通道的尺寸小到幾個(gè)納米甚至亞納米的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生許多有趣的現象�！苯�穎說(shuō)，如在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時(shí)，就仿佛進(jìn)入了一個(gè)意想不到的滑冰場(chǎng)。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現出了超乎尋常的無(wú)摩擦輸運特性，即超潤滑性。

江穎告訴記者，由于原子尺度受限體系中的水通常會(huì )形成類(lèi)似于冰的結構，為此，研究團隊利用qPlus型掃描探針顯微鏡這一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二維冰的原子結構。研究表明，這兩種表面上的二維冰均呈現出雙層自鎖的六方冰相。石墨烯表面的二維冰展現出兩個(gè)互成30度夾角的氫鍵網(wǎng)絡(luò )取向，且與石墨烯晶格之間沒(méi)有明顯的匹配關(guān)系（非公度）。盡管氮化硼的晶格與石墨烯非常相似，但硼-氮鍵的極性使得二維冰與氮化硼的晶格呈現很好的公度關(guān)系。

借助掃描探針顯微鏡針尖，研究人員能像操控積木一樣，精確移動(dòng)單個(gè)原子或分子，甚至還能測量出原子級別的摩擦力。然而，在面對大面積且脆弱的二維冰時(shí)，想要實(shí)現穩定且精準的操控和摩擦力測量并非易事。研究人員通過(guò)反復實(shí)驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰進(jìn)行非破壞式的橫向操縱。

“該研究為低維受限水輸運中結構超潤滑現象提供了首個(gè)確鑿的實(shí)驗證據，揭示了其不同于傳統超潤滑體系的微觀(guān)機理。這些發(fā)現告訴我們，納米通道中的水流不再是簡(jiǎn)單的液體流，而是可能形成類(lèi)冰的超潤滑輸運。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運，而且將進(jìn)一步激勵新型超潤滑和納米流體系統的未來(lái)探索與實(shí)際應用�！苯�穎介紹，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米流體的超潤滑操縱技術(shù)將成為推動(dòng)科技發(fā)展的重要力量。

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