我国科学家创造出“无摩擦力”的冰

“如果把冰结在石墨烯等特定材料上，只让其生长一两个分子层，我们称其为二维冰，那么冰与材料表面之间的摩擦力会消失。”6月14日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台教授江颖告诉科技日报记者。相关研究成果当日发表于国际顶级学术期刊《科学》。

“人们很早就注意到纳米通道中水分子不受阻力影响运动的现象。”江颖表示，低维受限条件下的水分子传输经常会出现难以置信的快速，但过程很难捕捉。

得益于团队此前自主研发的原子级分辨率扫描探针显微镜，单个原子或分子能够像拼插积木一样被精确地移动和构建。江颖介绍，在该技术支撑下，研究人员首先使铜表面的石墨烯和氮化硼衬底上生长出了二维冰岛，并直接观察到了二维冰岛的微观结构。

利用针尖操控测量二维冰与衬底间的摩擦力。（A）针尖操纵二维冰滑动示意图。（B）两个表面上水-针尖相互作用势能起伏与二维冰面积的关系。（C）实验所得二维冰在两个表面上的本征归一化静摩擦力。（D）分子动力学模拟所得二维冰在两个表面上的本征归一化静摩擦力。（北京大学量子材料科学中心网站）

“进行摩擦力测量的二维冰由超过20000个水分子组成，和拼插积木一样，面积越大、越薄就越脆弱。”论文共同第一作者、北京大学物理学院量子材料科学中心博士赵正朴表示，对其实现稳定而精准的操控和摩擦力测量并非易事。为此，团队反复实验尝试，制备出一种特殊形状的针尖，可对二维冰岛进行非破坏式的横向操纵，并进一步通过测量针尖与冰岛的相互作用能，推算出二维冰岛与衬底间的摩擦力。结果表明，石墨烯表面上尺寸较大的二维冰岛，其静摩擦系数可低于0.01，即近乎理想的无摩擦状态。

（科技日报记者 张佳星）