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世上是否存在“無摩擦”的冰？近日，北京大學物理學院量子材料科學中心江穎教授、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(xiàn)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Ｒ娪诜枪鹊膭傂跃w界面，因此，能在相對柔性的二維冰體系中發(fā)現(xiàn)超潤滑現(xiàn)象是非常出人意料的。”王恩哥表示，這一結(jié)果將推動納米流體工程和納米摩擦學的發(fā)展。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際學術(shù)期刊《科學》上。

“在傳統(tǒng)觀念中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界里，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，會產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。”江穎說，如在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時，就仿佛進入了一個意想不到的滑冰場。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現(xiàn)出了超乎尋常的無摩擦輸運特性，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形成類似于冰的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。研究表明，這兩種表面上的二維冰均呈現(xiàn)出雙層自鎖的六方冰相。石墨烯表面的二維冰展現(xiàn)出兩個互成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(xiàn)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，精確移動單個原子或分子，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，想要實現(xiàn)穩(wěn)定且精準的操控和摩擦力測量并非易事。研究人員通過反復實驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰進行非破壞式的橫向操縱。

“該研究為低維受限水輸運中結(jié)構(gòu)超潤滑現(xiàn)象提供了首個確鑿的實驗證據(jù)，揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤滑體系的微觀機理。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而是可能形成類冰的超潤滑輸運。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運，而且將進一步激勵新型超潤滑和納米流體系統(tǒng)的未來探索與實際應用?！苯f介紹，隨著技術(shù)的不斷進步，納米流體的超潤滑操縱技術(shù)將成為推動科技發(fā)展的重要力量。（記者晉浩天）