清华大学在微观标准超光滑范畴获得重大突破
来源:坠机网 发表于2019-07-12 22:36:44 编辑:妲己
摘要: 清华大学在微观标准超光滑范畴获得严重打破 11月4日电(通讯员 龚华)近来,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学微纳米力学与多学科穿插立异研讨

清华大学在微观标准超光滑范畴获得严重打破

11月4日电(通讯员 龚华)近来,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学微纳米力学与多学科穿插立异研讨中心、北京大学信息学院协作,在超光滑范畴获得严重打破,在世界上初次检测到了大气环境下厘米以上长度碳纳米管管层间的超光滑现象。所完结的超光滑标准比曾经报导效果的最高值高出3个数量级,一起所得到的冲突剪切强度比曾经报导效果的最低值降低了4个数量级。相关效果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》 (大气环境下厘米级长度双壁碳纳米管上的超光滑)为标题于2019年11月3日在线宣布在世界纳米范畴威望学术期刊《天然 纳米技能》(Nature Nanotechnology)上。《天然 纳米技能》还同期刊出了专题谈论文章,约请世界闻名冲突理论专家、以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh教授对这一严重发现给予谈论。文章的榜首作者为清华大学化工系博士生张如范。

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图为双壁碳纳米管管壁之间存在超光滑的示意图,该图标明:从理论上讲,不管碳纳米管有多长,都可以用细小的力将其内层从管中抽出。

冲突现象一直是人类面对的最具挑战性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次功能源由冲突进程耗费;工业发达国家因冲突磨损形成的丢失高达GDP的5%-7%。在微观标准,因为资料比外表积增大,使得冲突现象愈加明显。因而,跟着现代制作技能的开展,当体系标准缩小到微纳米标准时,界面冲突成为限制器材功能和寿数的关键因素。处理冲突磨损问题的根本途径是完结固体界面之间的极低冲突乃至零冲突,即超光滑。

超光滑(superlubricity) 是20世纪90年代前期由日本学者平野元久(Motohisa Hirano)提出的,也称结构光滑(structural lubricity),它是指当晶体外表以非公度方式触摸时,有或许呈现界面冲突和磨损简直为零的现象。曩昔二十年中所发现的超光滑现象主要是在纳米标准和高真空条件下完结的,完结微观标准上的超光滑不只要求固体外表具有超高的模量,而且要求在微观标准上原子级平坦,无缺点与位错,如此严苛的条件使得人们普遍以为大标准下简直不或许完结超光滑。

碳纳米管从结构上看是由石墨烯弯曲而成,因为石墨烯层间只要弱小的范德华力,所以多壁碳纳米管的管壁之间很容易发作相对滑动;别的,碳纳米管的表里管壁之间的手性结构是彼此独立的,通常以非公度方式触摸,这为管壁之间的超光滑供给了条件。但是,理论研讨标明,当碳纳米管存在哪怕只要一个原子等级的缺点时,其管壁间冲突力就会急剧增大。因而,要想用碳纳米管研讨微观标准的超光滑,有必要首要制备出微观长度且具有原子级完美结构的碳纳米管。经过近十年的尽力,魏飞教授团队在碳纳米管的制备方面获得了一系列打破,制备出了长达半米长的碳纳米管,而且证明晰碳纳米管在长达数厘米的范围内没有任何缺点(相关作业曾多次宣布在《先进资料》(Advanced Materials)、《美国化学会 纳米》(ACS Nano)、《资料化学》(Chemistry of Materials)等世界闻名资料期刊上),这为研讨微观标准超光滑供给了抱负资料。

为了便利对超长的碳纳米管的操作,该团队还开展了单根碳纳米管的纳米颗粒标记技能,然后完结了光学环境及扫描电镜下对大标准单根碳纳米管的定位与操作(相关作业宣布在《天然-通讯》(Nature Communications, 2019, 4, 1727)和《纳米标准》(Nanoscale, 2019, 5, 6584)上),这为微观标准超光滑现象的调查和丈量供给了条件。

在上述根底上,他们首要在光学显微镜下经过用弱小气流吹动碳纳米管的办法调查到了碳纳米管管壁之间快速相对运动的美妙现象,进而在使用扫描电镜下的微纳米操作渠道进行双壁碳纳米管内层的可控抽出,并丈量了管壁间的超低冲突力。他们发现,双壁碳纳米管的管壁之间存在着超低的冲突力(只要1~4 nN),而且这种冲突力与碳纳米管的长度没有关系,即不管多长的碳纳米管,其内层都可以被轻易地抽出来。他们演示了厘米长度碳纳米管(长径比为107)的内层抽出,比曾经报导的完结超光滑的标准(约10微米)提高了至少3个数量级。别的,发作相对滑动的两个外表之间的剪切强度是表征其冲突力巨细的重要参数,本研讨作业中得到的碳纳米管管壁之间的剪切强度只要2~3 Pa,比之前所测得的剪切强度最小值(0.04 Mpa)降低了至少4个数量级。

审稿人点评说: 这是一项风趣的、而且是激动人心的作业:初次从试验手法上证明晰大气环境下的微观标准超光滑现象!这项作业以其里程碑式的新颖发现确认无疑地证明晰微观标准超光滑的存在,我以为这是该作业最为重要和创造性的当地!毫无疑问,这是榜初次调查到从微观到微观标准下如此低的冲突力。我还想指出这项作业在开展试验技能方面所做出的原创性的作业。我以为这项作业关于研讨和操控冲突力做出了严重的、创造性的奉献;而且深信,这项作业将会激起超光滑研讨范畴越来越多的试验研讨和技能使用 。

这项作业为下一代全碳电子器材构筑、超光滑机械开发以及超高速微纳米机械、电子器材制备供给了根底。

这项研讨作业由清华大学化工系魏飞教授课题组牵头,与清华微纳米力学研讨中心张莹莹副教授、郑泉流教授和北京大学信息学院陈清教授课题组协作完结。国家天然科学基金委员会和国家严重研讨开展计划赞助了这项研讨。

 

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