【天天新視野】科學家發明的新型涂層可降低摩擦力100倍，減少超萬億美元損失

6月7日，美國能源部（DOE）橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科學家們宣布發明出新涂層，可以顯著減少普通承重系統與運動部件的摩擦，包括汽車傳動系統和風力和水力渦輪機。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，相當于美國國民生產總值的5%。

“當部件相互滑動時，就會產生摩擦和磨損，”ORNL表面工程和摩擦學小組負責人曲俊（Jun Qu）說。摩擦學，來自希臘單詞摩擦，是相互作用的表面在相對運動的科學和技術，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》上發表了一項研究，研究了一種由碳納米管組成的涂層，可以為滑動部件提供超潤滑性。超潤滑性是指幾乎不顯示任何滑動阻力的特性；其標志是摩擦系數小于0.01。相比之下，當干金屬相互滑動時，摩擦系數約為0.5。使用油性潤滑劑時，摩擦系數降至0.1左右。然而，ORNL涂層將摩擦系數降低到0.001，遠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用中成為可能，”曲俊說，“以前，你只能在納米尺度或特殊環境中看到它。”

為了這項研究，Kumara在鋼板上種植了碳納米管。通過一種叫做摩擦計的機器，他和曲讓這些板相互摩擦，產生碳納米管的刨花。

多壁碳納米管包覆在鋼表面，抵抗腐蝕性濕氣，并起到潤滑劑儲層的作用。當它們第一次沉積時，垂直排列的碳納米管像草葉一樣站在表面。當鋼鐵零件相互滑動時，它們實際上是在“割草”。每個葉片都是中空的，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多步驟的過程。“首先，我們需要激活鋼表面，以產生納米級的微小結構。其次，我們需要提供碳源來生長碳納米管。”他加熱了一個不銹鋼圓盤，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原子一個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。然后兩個接觸面都被一些富含石墨烯的涂層覆蓋。現在，當它們相互摩擦時，石墨烯就會粘在石墨烯上。”

即使是一滴油的存在對于實現超潤滑也是至關重要的。“我們試過不加油;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間。這就像一個沒有油的引擎。它在幾分鐘內就會冒煙，而一個有油的可以很容易地使用幾年。”

ORNL涂層優越的光滑性具有持久力。在超過50萬次的摩擦循環測試中，超潤滑性持續存在。庫馬拉連續測試了三個小時，然后是一天，后來是12天。“我們仍然擁有超強的潤滑性，”他說，“這是穩定的。”

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。為了獨立證實摩擦縮短了納米管，ORNL的合作者Lance使用了拉曼光譜，這是一種測量振動能量的技術，振動能量與材料的原子鍵合和晶體結構有關。

“摩擦學是一個非常古老的領域，但現代科學和工程提供了一種新的科學方法來推進這一領域的技術，”曲俊說，“直到近20年摩擦學獲得新生之前，人們對摩擦學的基本認識一直很淺。最近，科學家和工程師真正走到一起，使用更先進的材料表征技術-這是ORNL的優勢。摩擦學是非常多學科的。沒有人是萬事通。因此，在摩擦學領域，成功的關鍵在于合作。”

他補充說：“在某個地方，你可以找到一個專門研究碳納米管的科學家，一個專門研究摩擦學的科學家，一個專門研究材料表征的科學家。但他們是孤立的。在ORNL，我們在一起。”

ORNL的摩擦學團隊已經完成了屢獲殊榮的工作，吸引了工業合作伙伴和許可。2014年，由ORNL、通用汽車、殼牌全球解決方案和路博潤共同開發的一種用于節油發動機潤滑油的離子抗磨添加劑獲得了R&D 100大獎。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辦公室(EERE)贊助了這項研究。

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

他說：“接下來，我們希望與工業界合作，向美國能源部提交一份聯合提案，以測試、成熟和許可這項技術。”“在未來十年，我們希望看到改進的高性能車輛和發電廠，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的實驗室指導研究和開發種子計劃為概念驗證工作提供了初步支持。隨后，美國能源部EERE的太陽能技術辦公室和汽車技術辦公室支持了后續研究。

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

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