當我們觀看滑冰比賽的時候，有沒有想過為什麽滑冰運動員能在冰上飛速疾馳？其實，這與冰的物理性質、摩擦力的變化密切相關。
當滑冰運動員的體重集中在冰刀的窄刃上時，產生的巨大壓力會使冰局部融化，從而使得固態冰在接觸冰刀時部份轉化為液態水，形成一層薄薄的水膜。這層水膜作為潤滑劑，極大地減少了冰刀與冰面之間的摩擦力，使得滑冰者能夠順利滑行。
滑冰時冰局部融化減少摩擦力
（圖片來源：AI生成）
在滑冰的過程中，盡管摩擦力很小但它仍然存在，如果動作暫停，滑冰運動員最終還是會停下來。那麽，是否存在一種「無摩擦」的冰呢？
微觀世界中水的摩擦力
我們先從水說起。在宏觀世界中，可能找不到「無摩擦」的水，但與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界裏，當水通道的尺寸小到幾個奈米甚至亞奈米的時候，會產生許多有趣的現象，比如「超潤滑效應」。
宏觀世界的摩擦與微觀世界的不同
（圖片來源：AI生成）
在奈米尺度的通道中，水流動時摩擦力顯著降低，表現出類似於「超潤滑的滑動」的現象。這意味著水可以以非常高的速度透過這些狹窄的通道，而所需的推動力非常小。這種現象在碳奈米管和其他奈米結構中尤為明顯。
科學家們發現，當使用不同材料制造奈米級的通道時，水的運輸性質有著極大差異。比如使用結構相似的石墨烯和六方氮化硼來制作奈米通道，水在石墨烯通道中的透過率要比氮化硼中高10-100倍。那在石墨烯通道中的摩擦力會是在氮化硼中的百分之一嗎？透過理論預測，這兩個體系摩擦力僅相差3-5倍，事實真的像理論預測的一樣嗎？
水如何實作超潤滑？
2024年6月14日，【科學】雜誌發表了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的研究成果，他們利用自主研發的國產qPlus型掃描探針顯微鏡，發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。
石墨烯和氮化硼表面上的二維冰結構
（圖片來源：參考文獻1）
二維冰是什麽？超潤滑行為又是什麽？低維受限又是什麽？我們來一個一個給大家講清楚。
「低維受限」指的是水分子在奈米尺度或更小的維度（如二維或一維）中受到幾何結構的限制。這種限制通常發生在極薄的石墨烯材料表面（二維）或非常狹窄的奈米通道中（一維）。由於幾何結構的限制，水分子的運動被約束在特定的維度和方向，不能像在三維空間中那樣自由移動，水往往呈現出類冰的結構。
二維冰是指在奈米尺度下，水分子在二維平面上形成的有序結構。由於奈米通道或平面材料（如石墨烯）的限制，水分子無法像在三維空間中那樣自由移動，而是排列成蜂窩狀的六邊形晶格，類似於冰的結構。簡單來說，你可以把二維冰想象成一張又薄又軟的「冰布」。
超潤滑行為是指在兩個表面之間的摩擦力極低，幾乎為零的現象。這通常發生在特定條件下，如奈米尺度、極其平滑的表面或特殊的界面結構，使得原子或分子之間的交互作用力無法形成足夠的阻力，從而實作無摩擦的滑動。
冰在光滑的表面上滑動示意圖
（圖片來源：AI生成）
也就是說，在奈米尺度上，一塊「冰布」可以在石墨烯表面沒有摩擦力地滑動！
如何測量微觀的二維冰的摩擦力？
江穎團隊利用國產的qPlus型掃描探針顯微鏡，可以直接看到石墨烯和氮化硼表面上的二維冰原子結構，它們都呈現出雙層互鎖的六方冰相，這種二維冰相與表面之間形成了很弱的範德華交互作用。
石墨烯表面（G\I）與氮化硼（H/J）上最穩定的二維水結構的俯檢視和側檢視（圖片來源：文獻1）
同時，要想測到摩擦力，需要找一個東西去推石墨烯表面上的二維冰，但是在面對大面積且脆弱的二維冰時，想要實作穩定而精準的操控和摩擦力測量並非易事。他們制備了一種特殊的掃描探針顯微鏡的針尖，去移動微觀表面上的二維冰。
在宏觀世界中，摩擦力與表面積無關，而在微觀世界中，由於實際接觸面積和分子間交互作用的影響，摩擦力與表面積有關。研究人員發現，在石墨烯表面，隨著二維冰面積的增大，單位面積的摩擦力迅速減小，最終低於1皮牛，這與超潤滑現象的理論預測相符。
石墨烯表面上較大的二維冰，其靜摩擦系數甚至可以低於0.01，證實了其超潤滑特性。而在氮化硼表面，二維冰的單位面積摩擦力始終保持在較高的恒定值，表現出傳統的摩擦行為。這些實驗結果與理論模擬高度一致。
特殊的掃描探針顯微鏡的針尖移動微觀表面上的二維冰示意圖
（圖片來源：文獻1）
為什麽在石墨烯表面上的二維冰表現出超潤滑特性，而在氮化硼表面卻沒有呢？透過對二維冰和它們所在的基底進行成像，研究人員發現，二維冰在石墨烯表面的超潤滑行為源於水分子和石墨烯之間的弱範德華交互作用以及二維冰和石墨烯晶格之間的不公度性。
弱範德華交互作用表示他們之間的吸重力很弱，不公度性指兩種不同的結構無法完美地對齊，就像不配套的兩塊拼圖無法嚴絲合縫地拼在一起一樣。盡管氮化硼的晶格與石墨烯很相似，但由於硼-氮鍵的極性導致二維冰/氮化硼體系公度性較好，二維冰與氮化硼的晶格匹配得很好，被某些結構「卡住了」，導致在氮化硼表面上無法實作超潤滑。
「超潤滑」巨大的套用潛力
微觀水的「超潤滑」現象在多個領域展現出巨大的套用潛力。
首先，在微流體和奈米技術中，超潤滑能夠顯著減少流動阻力，提高液體傳輸效率。這對於開發高效的微流體裝置，如用於精準醫學的芯片實驗室系統和先進的藥物輸送系統具有重要意義，可以顯著提升診斷和治療的速度和準確性。
其次，利用水與石墨烯之間的超潤滑特性，未來的海水淡化裝置將實作更高效、更環保的水資源利用。
當海水透過石墨烯奈米通道時，水分子可以毫無阻礙地透過，而鹽分和其他雜質則被有效隔離在通道外。這樣不僅顯著降低了能耗，還減少了廢水和廢棄物的產生，真正實作了綠色、永續的海水淡化。此技術的套用將為解決全球水資源短缺問題提供一種革新性的解決方案，同時有助於環境保護和資源節約。
水的超潤滑現象在材料科學和奈米技術中具有重要的套用前景，相信在未來，這些套用對於環境和人來說都有較大的助益。
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出品：科普中國
作者：Denovo團隊
監制：中國科普博覽
