|
中國清華大學與北京大學的研究人員最近在長度達公分級的雙壁式奈米碳管(double-walled carbon nanotube, DWCNT)中，發現了超潤滑性(superlubricity)，亦即幾乎完全沒有摩擦力。此實驗再一次證實超潤滑性能存在於較大的尺度系統中，並且有助於製作以奈米碳管為基礎且不受制於摩擦力的微米及奈米裝置。
超潤滑性又稱結構超潤滑性(structural superlubricity)，指的是相對運動的兩個固體表面間摩擦力幾近消失的現象。以往，超潤滑性主要是在微米和奈米尺度中被觀察到，且大多是在高真空環境下。事實上，許多研究人員認為巨觀尺度不存在超潤滑性，因為較大的物體勢必有著粗糙表面。最近，清華大學魏飛(Fei Wei)領導的研究團隊顛覆了這種想法。
雙壁奈米碳管可視為是由片具有高長寬比的石墨烯(graphene)，以同軸捲曲的方式所構成，具有巨觀尺度下的完美晶格結構，因此適合用來探討超潤滑性。魏飛說明，對於大多數DWCNT，由於內外管間的介面「不相稱」(incommensurate)，二個管壁之間並不存在能量穩定之位置，因此幾乎不費力地便能造成相對滑動。在奈米機械中，沒有摩擦力是極佳的優點。此外，對於內管有部分突出的DWCNT而言，二管重疊區域的剪力也會因為壁間凡得瓦交互作用(van de Waals interaction)的反覆破壞與再形成而消失。換言之，抽離內碳管時，二管間的交互作用僅來自於碳管的邊緣部分。既然DWCNT管壁間的摩擦力與長度無關，因此在公分尺度下能展現超潤滑性。
研究人員使用配備奈米操控器的掃描式電子顯微鏡(SEM)探針來抽離DWCNT的內管。分析二管間摩擦力發現，理論上即使為無窮長的碳管，內管仍可連續不斷地抽離出DWCNT。測量數據顯示，摩擦力的大小幾乎與抽出長度無關，而且只有不到1 nN。即使接觸長度改變達6個數量級(從數十奈米到數毫米) ，摩擦力的大小約只改變2 nN。
該團隊認為，此研究結果對於摩擦力的基礎研究和超潤滑性的科技應用而言相當重要。例如，這可能有助於製作具超潤滑性的DWCNT微米和奈米元件。他們目前計畫研究其他少壁式奈米碳管的超潤滑性，同時著手設計並打造DWCNT微米和奈米機電系統(M/NEMS)。詳見Nature Nanotechnology | doi:10.1038/nnano.2013.217。 |