当我们观看滑冰比赛的时候，有没有想过为什么滑冰运动员能在冰上飞速疾驰？其实，这与冰的物理性质、摩擦力的变化密切相关。
当滑冰运动员的体重集中在冰刀的窄刃上时，产生的巨大压力会使冰局部融化，从而使得固态冰在接触冰刀时部分转化为液态水，形成一层薄薄的水膜。这层水膜作为润滑剂，极大地减少了冰刀与冰面之间的摩擦力，使得滑冰者能够顺利滑行。
滑冰时冰局部融化减少摩擦力
（图片来源：AI生成）
在滑冰的过程中，尽管摩擦力很小但它仍然存在，如果动作暂停，滑冰运动员最终还是会停下来。那么，是否存在一种「无摩擦」的冰呢？
微观世界中水的摩擦力
我们先从水说起。在宏观世界中，可能找不到「无摩擦」的水，但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，比如「超润滑效应」。
宏观世界的摩擦与微观世界的不同
（图片来源：AI生成）
在纳米尺度的通道中，水流动时摩擦力显著降低，表现出类似于「超润滑的滑动」的现象。这意味着水可以以非常高的速度通过这些狭窄的通道，而所需的推动力非常小。这种现象在碳纳米管和其他纳米结构中尤为明显。
科学家们发现，当使用不同材料制造纳米级的通道时，水的运输性质有着极大差异。比如使用结构相似的石墨烯和六方氮化硼来制作纳米通道，水在石墨烯通道中的透过率要比氮化硼中高10-100倍。那在石墨烯通道中的摩擦力会是在氮化硼中的百分之一吗？通过理论预测，这两个体系摩擦力仅相差3-5倍，事实真的像理论预测的一样吗？
水如何实现超润滑？
2024年6月14日，【科学】杂志发表了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的研究成果，他们利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，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。
石墨烯和氮化硼表面上的二维冰结构
（图片来源：参考文献1）
二维冰是什么？超润滑行为又是什么？低维受限又是什么？我们来一个一个给大家讲清楚。
「低维受限」指的是水分子在纳米尺度或更小的维度（如二维或一维）中受到几何结构的限制。这种限制通常发生在极薄的石墨烯材料表面（二维）或非常狭窄的纳米通道中（一维）。由于几何结构的限制，水分子的运动被约束在特定的维度和方向，不能像在三维空间中那样自由移动，水往往呈现出类冰的结构。
二维冰是指在纳米尺度下，水分子在二维平面上形成的有序结构。由于纳米通道或平面材料（如石墨烯）的限制，水分子无法像在三维空间中那样自由移动，而是排列成蜂窝状的六边形晶格，类似于冰的结构。简单来说，你可以把二维冰想象成一张又薄又软的「冰布」。
超润滑行为是指在两个表面之间的摩擦力极低，几乎为零的现象。这通常发生在特定条件下，如纳米尺度、极其平滑的表面或特殊的界面结构，使得原子或分子之间的相互作用力无法形成足够的阻力，从而实现无摩擦的滑动。
冰在光滑的表面上滑动示意图
（图片来源：AI生成）
也就是说，在纳米尺度上，一块「冰布」可以在石墨烯表面没有摩擦力地滑动！
如何测量微观的二维冰的摩擦力？
江颖团队利用国产的qPlus型扫描探针显微镜，可以直接看到石墨烯和氮化硼表面上的二维冰原子结构，它们都呈现出双层互锁的六方冰相，这种二维冰相与表面之间形成了很弱的范德华相互作用。
石墨烯表面（G\I）与氮化硼（H/J）上最稳定的二维水结构的俯视图和侧视图（图片来源：文献1）
同时，要想测到摩擦力，需要找一个东西去推石墨烯表面上的二维冰，但是在面对大面积且脆弱的二维冰时，想要实现稳定而精准的操控和摩擦力测量并非易事。他们制备了一种特殊的扫描探针显微镜的针尖，去移动微观表面上的二维冰。
在宏观世界中，摩擦力与表面积无关，而在微观世界中，由于实际接触面积和分子间相互作用的影响，摩擦力与表面积有关。研究人员发现，在石墨烯表面，随着二维冰面积的增大，单位面积的摩擦力迅速减小，最终低于1皮牛，这与超润滑现象的理论预测相符。
石墨烯表面上较大的二维冰，其静摩擦系数甚至可以低于0.01，证实了其超润滑特性。而在氮化硼表面，二维冰的单位面积摩擦力始终保持在较高的恒定值，表现出传统的摩擦行为。这些实验结果与理论模拟高度一致。
特殊的扫描探针显微镜的针尖移动微观表面上的二维冰示意图
（图片来源：文献1）
为什么在石墨烯表面上的二维冰表现出超润滑特性，而在氮化硼表面却没有呢？通过对二维冰和它们所在的基底进行成像，研究人员发现，二维冰在石墨烯表面的超润滑行为源于水分子和石墨烯之间的弱范德华相互作用以及二维冰和石墨烯晶格之间的不公度性。
弱范德华相互作用表示他们之间的吸引力很弱，不公度性指两种不同的结构无法完美地对齐，就像不配套的两块拼图无法严丝合缝地拼在一起一样。尽管氮化硼的晶格与石墨烯很相似，但由于硼-氮键的极性导致二维冰/氮化硼体系公度性较好，二维冰与氮化硼的晶格匹配得很好，被某些结构「卡住了」，导致在氮化硼表面上无法实现超润滑。
「超润滑」巨大的应用潜力
微观水的「超润滑」现象在多个领域展现出巨大的应用潜力。
首先，在微流体和纳米技术中，超润滑能够显著减少流动阻力，提高液体传输效率。这对于开发高效的微流体装置，如用于精准医学的芯片实验室系统和先进的药物输送系统具有重要意义，可以显著提升诊断和治疗的速度和准确性。
其次，利用水与石墨烯之间的超润滑特性，未来的海水淡化设备将实现更高效、更环保的水资源利用。
当海水通过石墨烯纳米通道时，水分子可以毫无阻碍地通过，而盐分和其他杂质则被有效隔离在通道外。这样不仅显著降低了能耗，还减少了废水和废弃物的产生，真正实现了绿色、可持续的海水淡化。此技术的应用将为解决全球水资源短缺问题提供一种革新性的解决方案，同时有助于环境保护和资源节约。
水的超润滑现象在材料科学和纳米技术中具有重要的应用前景，相信在未来，这些应用对于环境和人来说都有较大的助益。
参考文献：
1.Wu, Da, et al. "Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution." Science 384.6701 (2024): 1254-1259.
2.Hummer, Gerhard, Jayendran C. Rasaiah, and Jerzy P. Noworyta. "Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube." nature 414.6860 (2001): 188-190.
3.Majumder, Mainak, et al. "Enhanced flow in carbon nanotubes." Nature 438.7064 (2005): 44-44.
4.Xie, Quan, et al. "Fast water transport in graphene nanofluidic channels." Nature nanotechnology 13.3 (2018): 238-245.
5.Ramezani, Maziar, et al. "Superlubricity of materials: progress, potential, and challenges." Materials 16.14 (2023): 5145.
出品：科普中国
作者：Denovo团队
监制：中国科普博览
