1990年代初期，平壽元久創(chuàng)造了超級(jí)潤(rùn)滑一詞。日本科學(xué)家從理論上預(yù)測(cè)存在某種物理狀態(tài)，在某些條件下，兩個(gè)接觸表面之間的滑動(dòng)摩擦實(shí)際上消失了。平野使用原子力顯微鏡進(jìn)行了磨損摩擦研究，該工具可以在原子水平上測(cè)量表面?zhèn)认蛄ΑＱ芯績(jī)蓚€(gè)結(jié)晶固體表面（例如云母）之間的滑動(dòng)行為，平野超潤(rùn)滑性：固體潤(rùn)滑技術(shù)的新紀(jì)元？觀察到，當(dāng)實(shí)心尖端旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度時(shí)，摩擦力將下降到幾乎無(wú)法測(cè)量的水平。后來(lái)，2004年來(lái)自德國(guó)的馬丁·迪恩維貝爾（MartinDienwiebel）在使用原子力顯微鏡對(duì)石墨表面進(jìn)行的更有控制的實(shí)驗(yàn)中表明，當(dāng)兩個(gè)接觸的石墨表面彼此不相稱時(shí)，有明顯的超潤(rùn)滑跡象。但是，這些努力大部分時(shí)間都局限于納米級(jí)到微米級(jí)，因?yàn)槿魏伪砻嫒毕莼虮砻娲植诙仍诮Y(jié)垢到較大面積時(shí)都會(huì)破壞超潤(rùn)滑性。

 

過(guò)去，關(guān)于超潤(rùn)滑性的定義一直不明確。如今，小于0.01的摩擦系數(shù)被認(rèn)為是處于超潤(rùn)滑狀態(tài)。

 

AnirudhaSumant博士是美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）的美國(guó)能源用戶設(shè)施部門納米級(jí)材料中心納米制造和設(shè)備部門的負(fù)責(zé)人，他是超潤(rùn)滑性研究的全球先驅(qū)。他在2015年發(fā)表的有關(guān)納米金剛石與石墨烯融合的論文（Berman和Sumant等人，Science348（6239），1118-1122，2015年）被標(biāo)記為固體潤(rùn)滑技術(shù)的“游戲規(guī)則改變者”。

 

Sumant說(shuō)：“這是首次有機(jī)會(huì)擺脫納米和微米級(jí)的局限，在工程規(guī)模上展現(xiàn)出超潤(rùn)滑性。”封裝在石墨烯中的納米金剛石充當(dāng)納米級(jí)滾珠軸承，可將接觸表面之間的摩擦減小到幾乎為零。

 

Sumant說(shuō)，2018年發(fā)表的一篇論文（Berman和Sumant等人，NatureCommunications，9：1164（2018）將石墨烯替換為二硫化鉬。結(jié)果出乎意料?；瘜W(xué)反應(yīng)破壞了納米金剛石，形成了洋蔥狀碳球由球形石墨殼層組成，這種組合產(chǎn)生的超低滑動(dòng)摩擦力可以承受較高的接觸壓力，并且由于碳球的尺寸較大，因此甚至適用于粗糙表面，重要的是，實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑的時(shí)間從原來(lái)的5個(gè)減少了薩曼特（Sumant）說(shuō)，要花7分鐘到1秒的時(shí)間。

 

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究正在開(kāi)創(chuàng)固體潤(rùn)滑技術(shù)的新紀(jì)元。在現(xiàn)實(shí)世界的工業(yè)應(yīng)用中，強(qiáng)大而持久的超潤(rùn)滑性的潛力似乎幾乎是無(wú)限的，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)有望對(duì)全球潤(rùn)滑劑行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。在某些行業(yè)中，超潤(rùn)滑性能否完全取代油作為潤(rùn)滑劑？

 

Sumant說(shuō)：“即使是大型石油公司，固體潤(rùn)滑劑也是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。”一些公司通過(guò)在其油和添加劑中引入石墨烯和其他納米潤(rùn)滑劑，將摩擦降低了10-20％。但是，他們沒(méi)有看到他們想要看到的一致性。隨著時(shí)間的流逝，油中發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

 

Sumant說(shuō)，盡管超潤(rùn)滑不可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油的最終消亡，但“這項(xiàng)技術(shù)的前景非常光明。”就用戶友好性和適用性而言，該技術(shù)更經(jīng)濟(jì)，使用壽命更長(zhǎng)且更具優(yōu)勢(shì)。最大的挑戰(zhàn)是改變傳統(tǒng)觀念。我們可以談?wù)撔录夹g(shù)，但是要從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模證明的基礎(chǔ)科學(xué)思想滲透到工業(yè)規(guī)模需要花費(fèi)時(shí)間。他說(shuō)，除非他們以相同的成本看到性能的實(shí)質(zhì)性改善，而又不改變現(xiàn)有的許多基礎(chǔ)架構(gòu)，否則很難說(shuō)服他們技術(shù)的好處，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，它會(huì)降低成本。

 

干潤(rùn)滑劑在許多行業(yè)中已經(jīng)很普遍。薄膜涂料是常見(jiàn)的應(yīng)用，盡管它容易發(fā)生災(zāi)難性的故障。Argonne的技術(shù)與傳統(tǒng)的薄膜涂料明顯不同。特別是，自生潤(rùn)滑劑會(huì)不斷自我調(diào)整以延長(zhǎng)使用壽命。

 

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）在利用納米材料在無(wú)油環(huán)境中實(shí)現(xiàn)宏觀潤(rùn)滑的過(guò)程中取得了巨大的進(jìn)步，現(xiàn)已開(kāi)始轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

 

Sumant強(qiáng)調(diào)了Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)領(lǐng)先的汽車制造商之間的合作。金屬?zèng)_壓是用于將扁平金屬板轉(zhuǎn)換為特定形狀的制造過(guò)程。該方法廣泛應(yīng)用于汽車底盤的成形，盡管高溫和接觸壓力導(dǎo)致的摩擦?xí)a(chǎn)生薄弱點(diǎn)，這直接影響了車輛的安全性。

 

通常，汽車制造商使用油基潤(rùn)滑劑來(lái)最大程度地減少金屬?zèng)_壓過(guò)程中的摩擦影響。當(dāng)前的方法有些問(wèn)題。Sumant說(shuō)，盡管潤(rùn)滑劑價(jià)格便宜，但在噴漆之前進(jìn)行“乏味”的去除過(guò)程會(huì)增加可觀的成本。噴涂石墨烯基涂層可以實(shí)現(xiàn)所需的摩擦和磨損減少，并且易于去除。Sumant表示，他的團(tuán)隊(duì)與行業(yè)合作，正在接近該項(xiàng)目的商業(yè)化，這將最終減少摩擦，提高性能和車輛安全性。

 

與世界上最大的石油和天然氣公司之一的合作伙伴關(guān)系也提供了同樣有希望的應(yīng)用。海上天然氣平臺(tái)利用機(jī)械泵密封來(lái)隔離有害氣體和油?，F(xiàn)有的密封件在高速下承受極端壓力，并且容易磨損和泄漏。更換密封件會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停工并增加成本。Sumant的研究團(tuán)隊(duì)正在運(yùn)用他們的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)具有低磨損和低摩擦的機(jī)械密封，從而最大程度地減少了更換頻率。他說(shuō)，“要在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還需要采取其他步驟”。

 

Argonne科學(xué)家進(jìn)行的許多初步研究都集中在消除粗糙表面的狀況和減少在滑動(dòng)表面上達(dá)到超潤(rùn)滑性的時(shí)間。但是，2019年的一篇研究論文將納米潤(rùn)滑的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了滑動(dòng)表面之外（Mutyala和Sumant等人，AppliedPhysicsLetters，115（10），103103，2019）—證明了納米潤(rùn)滑劑技術(shù)即使在滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)合的情況下也可以工作。該研究表明，風(fēng)力渦輪機(jī)軸承的摩擦減小到接近零，具有改善使用壽命，降低成本和替代機(jī)油潤(rùn)滑的潛力。Sumant還預(yù)見(jiàn)了在電動(dòng)汽車電池軸承中的重要應(yīng)用。