6月7日，美國能源部（DOE）橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科學(xué)家們宣布發(fā)明出新涂層，可以顯著減少普通承重系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)部件的摩擦，包括汽車傳動(dòng)系統(tǒng)和風(fēng)力和水力渦輪機(jī)。該涂層至少可將鋼材與鋼材的摩擦力降低一百倍。新ORNL涂層可以幫助美國減少每年因摩擦和磨損而損失的1萬多億美元，相當(dāng)于美國國民生產(chǎn)總值的5%。

“當(dāng)部件相互滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生摩擦和磨損，”O(jiān)RNL表面工程和摩擦學(xué)小組負(fù)責(zé)人曲俊（Jun Qu）說。摩擦學(xué)，來自希臘單詞摩擦，是相互作用的表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)和技術(shù)，如齒輪和軸承。“如果我們減少摩擦，我們就能減少能源消耗。如果減少磨損，我們就可以延長系統(tǒng)的使用壽命，從而獲得更好的耐用性和可靠性。”

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曲俊與ORNL的同事Chanaka Kumara和Michael Lance在《今日納米材料》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，研究了一種由碳納米管組成的涂層，可以為滑動(dòng)部件提供超潤滑性。超潤滑性是指幾乎不顯示任何滑動(dòng)阻力的特性；其標(biāo)志是摩擦系數(shù)小于0.01。相比之下，當(dāng)干金屬相互滑動(dòng)時(shí)，摩擦系數(shù)約為0.5。使用油性潤滑劑時(shí)，摩擦系數(shù)降至0.1左右。然而，ORNL涂層將摩擦系數(shù)降低到0.001，遠(yuǎn)低于超潤滑的臨界值。

“我們的主要成就是我們使超潤滑在最常見的應(yīng)用中成為可能，”曲俊說，“以前，你只能在納米尺度或特殊環(huán)境中看到它。”

為了這項(xiàng)研究，Kumara在鋼板上種植了碳納米管。通過一種叫做摩擦計(jì)的機(jī)器，他和曲讓這些板相互摩擦，產(chǎn)生碳納米管的刨花。

多壁碳納米管包覆在鋼表面，抵抗腐蝕性濕氣，并起到潤滑劑儲(chǔ)層的作用。當(dāng)它們第一次沉積時(shí)，垂直排列的碳納米管像草葉一樣站在表面。當(dāng)鋼鐵零件相互滑動(dòng)時(shí)，它們實(shí)際上是在“割草”。每個(gè)葉片都是中空的，但由多層石墨烯制成，石墨烯是一種原子薄的碳片，排列在相鄰的六邊形中，就像鐵絲網(wǎng)一樣。剃須過程中斷裂的碳納米管碎片重新沉積在接觸面上，形成一層富含石墨烯的摩擦膜，將摩擦減少到幾乎為零。

制造碳納米管是一個(gè)多步驟的過程。“首先，我們需要激活鋼表面，以產(chǎn)生納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)。其次，我們需要提供碳源來生長碳納米管。”他加熱了一個(gè)不銹鋼圓盤，使其表面形成金屬氧化物顆粒。然后，他使用化學(xué)氣相沉積法將碳以乙醇的形式引入其中，這樣金屬氧化物顆粒就可以一個(gè)原子一個(gè)原子地以納米管的形式將碳固定在那里。

這種新型納米管只有在被破壞后才能提供超潤滑。“碳納米管在摩擦中被破壞，但成為一種新的東西，”曲俊說，“關(guān)鍵是那些斷裂的碳納米管是石墨烯片。這些石墨烯片被涂抹并連接到接觸區(qū)域，成為我們所說的摩擦膜，這是在此過程中形成的涂層。然后兩個(gè)接觸面都被一些富含石墨烯的涂層覆蓋。現(xiàn)在，當(dāng)它們相互摩擦?xí)r，石墨烯就會(huì)粘在石墨烯上。”

即使是一滴油的存在對(duì)于實(shí)現(xiàn)超潤滑也是至關(guān)重要的。“我們?cè)囘^不加油;它沒有起作用，”曲俊說，“原因是，沒有油，摩擦去除碳納米管的作用太大了。那么摩擦膜就不能很好地形成或存活很長時(shí)間。這就像一個(gè)沒有油的引擎。它在幾分鐘內(nèi)就會(huì)冒煙，而一個(gè)有油的可以很容易地使用幾年。”

ORNL涂層優(yōu)越的光滑性具有持久力。在超過50萬次的摩擦循環(huán)測試中，超潤滑性持續(xù)存在。庫馬拉連續(xù)測試了三個(gè)小時(shí)，然后是一天，后來是12天。“我們?nèi)匀粨碛谐瑥?qiáng)的潤滑性，”他說，“這是穩(wěn)定的。”

庫馬拉用電子顯微鏡檢查了割下的碎片，以證明摩擦磨損切斷了碳納米管。為了獨(dú)立證實(shí)摩擦縮短了納米管，ORNL的合作者Lance使用了拉曼光譜，這是一種測量振動(dòng)能量的技術(shù)，振動(dòng)能量與材料的原子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

“摩擦學(xué)是一個(gè)非常古老的領(lǐng)域，但現(xiàn)代科學(xué)和工程提供了一種新的科學(xué)方法來推進(jìn)這一領(lǐng)域的技術(shù)，”曲俊說，“直到近20年摩擦學(xué)獲得新生之前，人們對(duì)摩擦學(xué)的基本認(rèn)識(shí)一直很淺。最近，科學(xué)家和工程師真正走到一起，使用更先進(jìn)的材料表征技術(shù)-這是ORNL的優(yōu)勢。摩擦學(xué)是非常多學(xué)科的。沒有人是萬事通。因此，在摩擦學(xué)領(lǐng)域，成功的關(guān)鍵在于合作。”

他補(bǔ)充說：“在某個(gè)地方，你可以找到一個(gè)專門研究碳納米管的科學(xué)家，一個(gè)專門研究摩擦學(xué)的科學(xué)家，一個(gè)專門研究材料表征的科學(xué)家。但他們是孤立的。在ORNL，我們?cè)谝黄稹！?/span>

ORNL的摩擦學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了屢獲殊榮的工作，吸引了工業(yè)合作伙伴和許可。2014年，由ORNL、通用汽車、殼牌全球解決方案和路博潤共同開發(fā)的一種用于節(jié)油發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的離子抗磨添加劑獲得了R&D 100大獎(jiǎng)。ORNL的合作者是Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West和Bruce Bunting。美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的車輛技術(shù)辦公室(EERE)贊助了這項(xiàng)研究。

同樣，本文中描述的工作是2020年R&D 100獎(jiǎng)的決賽選手。研究人員已經(jīng)為他們的新型超潤滑涂層申請(qǐng)了專利。

他說：“接下來，我們希望與工業(yè)界合作，向美國能源部提交一份聯(lián)合提案，以測試、成熟和許可這項(xiàng)技術(shù)。”“在未來十年，我們希望看到改進(jìn)的高性能車輛和發(fā)電廠，減少摩擦和磨損造成的能量損失。”

這篇論文的題目是“犧牲碳納米管涂層的宏觀超潤滑”。ORNL的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開發(fā)種子計(jì)劃為概念驗(yàn)證工作提供了初步支持。隨后，美國能源部EERE的太陽能技術(shù)辦公室和汽車技術(shù)辦公室支持了后續(xù)研究。

UT-Battelle為美國能源部科學(xué)辦公室管理ORNL，該辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者。科學(xué)辦公室正在努力解決我們這個(gè)時(shí)代的一些最緊迫的挑戰(zhàn)。（涂界）

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