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导读

郑泉水院士是固体力学和微纳米力学的专家，早年因为在张量领域做了很重要的理论工作而闻名。近些年，郑老师站在国际顶尖前沿上开创了一个全新的领域——结构超滑技术。在全世界都不认为可以在实验上实现微米及以上尺度结构超滑的背景下，郑老师和他的团队通过理论和实践相结合的研究，实现了从0到1的重大突破。

一、关于科教融合的几点思考

在科教融合中，我认为定义问题很重要。在解决端，教授是第一位的，因为他的经验和知识最多。但当我们走到前端时，就像任正非说的“走着走着就不知道问题是什么了”。以前是知道问题，现在是不知道问题。如果我们要再往前走，就需要定义问题。

定义问题有两种。第一种来源于企业界，在企业生产中出现了一些前所未有的问题。例如，华为的任正非就提出了很多问题。第二种来源，我认为也是最重要的，是在研究中学会自己提问题。定义问题的过程离不开老师。老师的角色主要是帮助你，跟你说哪个问题提得好，并给你做背书，增添资源。在实验室，有时候做到后面老师也不知道该怎么走了。这时候，就需要大家一起来提问题。在定义问题上，需要发挥想象力，大家一起讨论，激发出一些新的问题。

二、我是怎么发现结构超滑的？

讲完科教融合，再回到结构超滑的问题上。摩擦本身的来源，其实就是两个固体表面（包括物品）发生挤压和相互作用，从而造成了磨损，这个过程是不可逆的。在我们日常生活中，可能有感受到特别滑的情况，比如说滑冰鞋的冰刀在冰面上移动。那么什么叫结构超滑呢？

首先要看，（结构超滑）现在测到的摩擦系数最低是多少？百万分之一。它其实是一种层状材料，材料来源有很多，例如高定向热解石墨。它的特点是面内原子的相互作用非常强，层间相互作用非常弱。这个力很重要，也就是范德华力。

范德华相互作用不会产生化学键的断裂（也就不会有磨损），同时上层原子在下层原子周期势的作用下运动时，侧向力相互抵消（如图1所示）。

图1 抗滑移力抵消的原理

范德华力的方向不是一致的，一部分原子沿着势垒被拉上去要发力，另一部分顺着势垒滑下来则会提供力。假如沿势垒向上运动的原子和向下运动的原子是一个随机分布的话，这种拉力-推力通过刚性连接以后就因平衡损失了。但这在物理上是不现实的。为什么呢？首先，现实中的相对运动会有一些震动，只要有震动能量就可能耗散掉。尤其体系越多，就越容易耗散。除此之外，整个体系并不是绝对刚性的，因此上面的假设并不能完全满足

一微米区域的原子数上百万，体系太大会导致系统能量很容易耗散，而体系小，系统能量则不容易耗散。从物理上讲，能量是一定会有耗散的。但如果运动的速度非常慢，趋向于0时，这个耗散几乎等于0。所以从物理上讲是非常简单的，但是材料是不是可以实现这个目标呢？是可以的。我们想象一下，鸡蛋盒对着可以碰上，但是一做旋转就不会碰上，所以可以拿两个石墨片做旋转，就可以相互抵消了。石墨面内的强度是已知材料中最高的，面外的相互作用也是范德华相互作用。所以，你把这个石墨稍微错开一下，它们之间的摩擦就有可能为“0”。它还会有很多特性，最近的研究表明：它可能有超导特性。这是毕业于中科大少年班的学生发现的，Nature上同时报道了他的两篇文章，就测试这一个特性。

因为比较简单，这个概念在数学上很早就被预测了，各个方向的力加起来等于0。但从历史上看，这个公式在1983年提出来以后，几乎没人引用这篇文章。实际上这个工作引起注意是由于1993年一个日本研究组，他们研究发现运动起来的时候摩擦依然会等于0。他们给这个概念起个名字叫超润滑（Superlubricity），可能就是参照了1987年提出的超导概念，才用了这个词，不过这个概念后来就被证明是错的。他们开始做实验，实验上一直没有做成功，所以在这之前，一直没有人认为这项研究是可能的。到了2004年的时候，有一个荷兰的研究者，用了两片石墨，一片几十个纳米大小，一片是大的石墨片。他自己发明了一个装置，测出来发现这个概念是可行的，摩擦确实是非常小。这是第一个，严格讲可能是第一个发现超滑现象的。但是很遗憾，包括他本人也就在文章中写这个事是不可能做到的。所以后面又有很多工作，一直都建立在无法实现超滑的基础上展开。直到2012年，我证明了这一点，为什么证明了？因为我当时不知道这件事，我也不知道有好多理论证明他是“错的”，所以我是从另外一个角度去做这个事情。

图2 结构超滑技术诞生前的长期困境和怀疑

证明这件事的时候，我用石墨岛发现了一个自动回复运动现象。但是我当初提出这个现象的时候没人相信，如果可能的话，那我们铅笔就写不出字来，因为按照这个理论铅笔划出了很多小石墨片，它们都跑回去了。实际上后面我的一个博士生他把它做成了，我才注意到超滑这个概念。后来我花了4年时间，和另外两个博士生把它证明了，因为证明结构超滑需要有些特征，最主要的是他会自锁。这件事证明完了以后引起了很大的反响。

图3 结构超滑技术的开端

当初我走了另外一个途径。2000年，有两个美国的研究组，发现把多臂碳管拉出来的时候，把它们放掉，碳管就能跑回去。实际上这是需要一些脑洞的。本来好不容易把碳管拉开粘住，不知道什么人把它断开了，但这一断开以后就跑回去了，这确实是出乎意料。（我认为这就是调皮捣蛋造成的，所以我们以后要招的学生一定是要有“调皮捣蛋”的。你弄坏了一点的东西没问题，你什么东西都弄不坏了，我会比较难受。）后来我想象了一下，碳管松开就会跑回去，另一边也放开，不就跑出去了吗，同样道理，它又跑回来，来回跑就会有震荡。我就简单地估计一下这个震荡，频率可以达到10亿赫兹，10亿赫兹是一个什么概念？这是奔腾4处理器的频率。以前从来没有提出一个机械的振荡频率可以达到10亿赫兹。这个工作引起了很大的反响，因为这是人类历史上的第一次，以前连构思都没有。有了这个构思，后来在基金委和学校的资金支持下，我就开始做实验。但实验做起来我发现这根本不可能，这种东西不可能批量制造，永远找不到实际应用。所以那个时候我做了一个非常关键的决定，做石墨。因为对于尺寸很小的物体来说，检测这么快的频率，只有光打上去才能解决。但是光有一个问题：五六百微米左右的尺度太小，光吸收不了，但是也可以通过把光不断的打上去来解决；但问题是震荡很快，导致无法检测，所以这个矛盾不能解决。用光检测这个事，我找过几个物理学家，其中一个就是薛其坤，那个时候他还在中科院物理所，他找了一个光学的专家帮我，但结论还是做不了。所以我当时做了几个例子就做这个，做完这个以后，这个思路很快就突破了。

图4 结构超滑技术的发展

现在实现超滑是一个什么尺度呢？大概在10微米这个尺度，这个尺度是我认为是可以做到的，但是也有人认为做不到。所以当我做出了一个毫米尺度时，所有人都很吃惊，这是一件以前在理论上认为是不可能的事，现在依然有很多人不相信。但即使微米尺度的结构超滑现在已经有非常多的应用场景了，到底什么应用需要大家来想一下。

这种超滑状态可以保持到什么样的速度呢？我现在测出来的用子弹的速度，就是300米/秒的速度，他依然可以保持这个状态，可以说是一个很高的速度了。然后压力可以做到多大？压力目前做到的最高大概是5GPa，现在没有结构可以承受5GPa的压力压下来的时候，而摩擦几乎是等于0的。因为摩擦系数最低可以做到10的-6次方。现在做到的最高温度大概是几百度。

明天我要去参加一个会议，其中提到了有一个可能性，就是冬天太阳晒的时候400℃，太阳不晒的时候是-70℃，他们都不信，而且他们有很多东西都没有办法做。

那么这些东西未来有什么用呢？我们知道历史上有很多相关的故事，就讲与大家密切关联的互联网吧。1969年第一次做成时不知道有什么用，想象不出来。在刚开始时候，我找不到一种超滑的应用场景，我能想到的就是在我鞋子底下做一个超滑，然后“呜呜”滑走。那这个东西有什么用呢？我并不知道有什么应用，因为这个应用不值钱，我要找很值钱的应用，我发现好多人也都走不出这个思路。比如说Google，你很难想象Google会提出这个想法，因为它完全不赚钱，而且好像会一直不赚钱，这跟我们以前的产业逻辑是违背的，是吧？他帮你销售怎么会赚钱呢？你想不出一个逻辑，是吧？现在，我们的TikTok，年轻人还是主力，你看CEO都是年轻人，是吧？腾讯也是，全都是年轻人。所以说年轻人很重要，就是说当你要去定义问题的时候，年轻人有极大的优势。所以你看我讲的这个是不是与你们中学、大学都不一样呢，中学、大学的主要目的是为了解决追赶的问题；以后的目标则是去定义问题。比如说，给我一个小时，我会用55分钟去思考问题、推敲问题，去找到它的联系，然后花5分钟时间去解决问题。所以我想我们这个是一个颠覆，我们也是在这样一个时代。

那么（好的）问题在哪呢？超滑技术本身是有一些问题，我相信定义这个问题可能你是干不过我的，你们干不过我的博士生，因为这不是你们的优势。然而，我原来花很长时间一直想到的就是这些东西，比如说、火车、滑轮。但是我觉得你们可能会有更大的期待，因为市场都有现成技术，例如我们用磁悬浮，你只是把它做得更好一点，但你不是一个颠覆，并不是无中生有。比如说到目前为止，我们并没有做成非常非常小的马达，尽管1988年就造出了第一个马达，也是由UC Berkeley造出的马达。这些我都花很长时间想了之后才慢慢开始的。我最先想的是太空舱上的滑盘，它是一个巨大的装置；然后想到再就是存储，它是我当初花了好多年时间找到的唯一的一个应用，所以说我的脑袋已经锁住了。

三、超滑技术的应用场景

在和博士生一起探索，我们找到了一些应用场景。下面就让我来介绍一下。第一个是在RF MEMS开关中的应用。

图5 结构超滑-RF MEMS开关类器件新机遇

首先RF指的是高频的电流或电磁波信号（通常频率在100kHz到300GHz之间），RF MEMS开关是指一种微型的、机械式的射频开关，这和我们高中学习的继电器的原理是很相像的，当梁在吸下来接通触点后能够实现射频信号的连通。

RF MEMS开关具有自己的特性，我们知道传统半导体射频开关是基于载流子控制的，存在漏电流和较高电阻，而RF MEMS开关是机械式的切换，该切换模式不存在漏电且电阻极小，所以它的隔离度、插损是非常低的，有着很好的射频特性。但是同样因为它是机械式的切换，所以也存在冲撞、疲劳、响应时间较慢等痛点问题。寿命和可靠性是该元件的应用中我们非常关注的问题，因为存在碰撞、机械疲劳等问题，那么可靠性就存在潜在风险，相对于半导体开关的话（千亿次以上），RF MEMS开关的寿命（数亿次）会小几个数量级。第二个是响应时间，RF MEMS开关的响应时间为微秒级别，而半导体开关则是纳秒级别的。另外，RF MEMS开关封装要求特别高、特别容易受外界环境的干扰。上述讲到的问题是相互制约的，很难综合解决，然而我们的结构超滑则正好可以作为一个完美的解决方案。

如图6所示，这是我们设计的一种基于结构超滑的开关。传统的开关是垂直支撑型的，而结构超滑的技术则带来全新的颠覆性的设计。滑动式开关因为没有摩擦和磨损所以它的寿命可以得到显著延长。在我们实验数据的支撑下，它的使用寿命可达到5000亿次以上，换言之可以达到甚至超过半导体开关的水平。另一方面就是响应时间，超滑片的质量是比较轻的（10-14kg），同时无摩擦所以它的响应时间能达到纳秒级别。此外，我们的超滑在大气环境下就能够实现，所以对封装条件并不高，普通封装即可实现。上述这些特性就刚好填补了我们RF MEMS开关的一个劣势，可以说结构超滑给RF MEMS开关带来了一个颠覆性的解决方案。

当然，结构超滑在射频器件方面的创新远不止于此，如附图7所示，基于RF MEMS开关还可以衍生出很多其他的射频系统元器件。比如超滑移相器件，它和开关很像，只是它是通过控制气隙的大小来改变电容，从而控制系统电信号的相位变化，还有像超滑可变电容、超滑可重构天线、超滑可调滤波器、超滑射频旋转关节等等，这些器件组合在一起可以组成一个超滑射频生态系统，这在某种程度上可能就对射频系统进行了重新定义。

图6 超滑为RF MEMS器件及系统带来颠覆性应用

那么超滑射频系统的颠覆作用是什么呢？例如我们生活中使用特别多的智能手机，就是一个射频系统；另外像无线基站、雷达系统、自动驾驶系统，以及我们的仪器仪表里面都包含射频系统。如果在这些系统中我们全部采用MEMS的超滑射频器件的话，那么可以实现数量、体积、能耗上在量级的优化。以相阵雷达为例，一般一个大型相阵雷达里面含有数十万个半导体移相器和开关，如果换成超滑射频器件，器件的数量可以减少2/3，成本和体积均可以降低50%以上，而能耗所带来的效应就更加显著了。因此，在我看来这是一件很伟大的事情。

另外一个非常有意义的应用方向，是激光雷达。激光雷达是自动驾驶的核心传感器件，是自动驾驶的“眼睛”，可对周围的环境进行3D建模，这是用算法完成智能驾驶的基础。现在的华为，也是在投入非常大的资源，想尽快研发出激光雷达投入市场。激光雷达行业是一个非常大的市场，在2032年这个市场规模大概是300亿美元左右。那么，它的原理是怎么样的呢？我给大家简单介绍一下。

激光测距的原理大家应该有所了解。主要方法之一是飞行时间法。一束激光打出去，打到一个目标点上，然后再反射回来，通过这个时间差就可以推算距离。通常来说，激光雷达里面还会有一个扫描，比如说有一个旋转的镜子，打在其上的激光就可以实现扫描功能。将周围的环境扫描一遍，可建立一个整体的空间数字模型。激光雷达总的来说是实现这样的功能。

现在最早最成熟的一种激光雷达是机械激光雷达。它通过机械马达带动一面镜子转动，把激光扫描起来测距。然而，这个技术面临很大的挑战。首先是成本的挑战，现在较贵的一些机械激光雷达，高规格的可能要卖到七八万美元，相当于一部车的价格，所以很难市场化；第二个是小型化挑战，机械马达很难做小型化，尤其很难在芯片上加工。第三个是磨损的挑战，机械马达会有磨损，这容易为系统带来不稳定性；第四个是传统马达难以装调。现在出现了三种技术解决方案，第一种叫闪光型激光雷达，不需要有一个机械的马达将激光扫描起来，直接将一个面阵光发射出去。但是它目前存在的一个主要挑战在于探测距离还很有限；第二种解决方案叫做相控阵激光雷达，它跟相控阵雷达较像，但是它的弱点也是探测距离有限。第三种叫做MEMS激光雷达，它结合了传统机械激光雷达的优点，通过镜面将激光扫描起来。但它不是通过机械马达带动一个镜子转动，而是通过芯片上加工的可以偏转振动的微镜，进而带动激光去扫描。这种类型的激光雷达被认为是目前最有可能、最快商业化落地的一个解决方案。大家可以看到，这个示意图就是一个基于MEMS的激光雷达。它可以加工在芯片上，这样可以实现小型化，方便集成。它可以采用类似于集成电路的方法来加工，成本可降低。这些是相较于机械激光雷达的非常大的优势。然而，它的弱点也显而易见：扫描角度相对较小，而机械雷达是可以实现360度扫描的。

图7 激光雷达的技术方案与特点

加工在芯片上的镜面是连在一根梁上的，通过静电力或磁力驱动时，这个梁发生小幅度的扭转，从而使得镜面可发生偏转。梁的扭转变形不能太大，因此镜面的偏转角度也受限。目前扫描激光的角度有限，只能有大概20-30度。目前有方案通过多组激光去扩大它的扫描角度。然而，这可能会带来装置的复杂性、不可靠性和成本等问题。

那么超滑在里面起到什么作用呢？现在可进行360度旋转的MEMS马达，面临的一大挑战是磨损问题，磨损使得它不能实现。那么大家可能想到，我们可以用超滑做一个马达，然后再组合一个微镜，就可以实现360度的激光扫描。这样，我们有希望将机械激光雷达的360度扫描的优势和MEMS激光雷达的小型化、可集成、低成本优势结合起来，也许能成为一个非常好的解决方案。

图8 现有MEMS激光雷达与基于超滑MEMS马达的激光雷达

还有一个是在发电机上的创造应用，大家可以看到电能其实在我们生活中无处不在，比如说这里在座的各位携带的个人电脑，包括我们的家用电器，其实它是普遍存在生活中的，那么可以想象，比如说我们整个国家或者说一个城市的供电，它主要来自于哪儿？其实大家也都知道都是通过比如火力发电占70%，然后其它的占30%，它怎么样把能量转化成电能，其实是靠着这发电厂的，发电厂的核心其实就是一个很大的电磁感应原理的发电机。为什么选择电磁感应原理？这是因为尺度的效应，因为它的原理就决定了其输出功率和尺度的三次方成正比，所以说它在大尺度下有很好的发电的效果，为我们的日常生活提供了非常好的电能供给。

图9 构建万物互联的智能世界-分布式传感的供电问题

然后到了20世纪末，我们知道化学电池的发明拿了诺贝尔奖，它的发明对我们便携类的电子产品提供了很好的一个便携式的电源。我们可以用一个电池将化学能转换电能，来给我们现在的手机、笔记本等供电，并且目前来说其已经基本满足需求，但是继续往后面走，大家其实可以把手机拆开看一下，里面可能百分之六七十的体积都在电池上，所以说如果我们的用电器的尺度进一步缩小，比如说要做万物互联，要做分布式传感，那么电池也需要做小；然而电池的小型化其本身在科学上就存在很大的问题，并且从原理上来看，因为其输出的电能是和尺度的三次方成正比，因此其在小尺度下输出的能量也是比较低的，那么我们可不可以把电磁感应发电机也做小？当然其也受到尺度效应的限制，它的输出功率随尺度也是三次方衰减，所以衰减的非常快。那么在小尺度下，比较好的选择，是静电感应原理，由于它的输出功率是随尺度的一到二次方成正比的，所以说它在小尺度下有相对较大的输出，包括现在微机电系统(MEMS)的很多执行器都是基于静电感应原理。

图10 超滑纳米发电机-颠覆性解决方案

利用静电感应原理，如果我们做一个把外界非常微弱的能量转化成电能的微型器件来供电的话，我们就把它定义成纳米发电机，其在目前来看是最优的一个解决方案。自从2006年纳米发电机的概念提出之后，其受到很大的一个关注，它的原理其实很简单，它首先通过摩擦起电，让这个体系的电介质带上固定不动的电荷，然后当它产生相对运动时，由于重叠面积或者间距的变化，它的电容也将发生变化，产生相应的感应电流。

我们看到发电机它存在相对运动，因此所以采用滑动式的结构，它必定会带来磨损，导致其寿命受到限制。当然我们也可以用这种接触分离式的结构来避免磨损，但是其也会带来一个问题，那就是这种运动模式在电极之间将不可避免的有空气，空气是非常容易击穿的，击穿之后电荷就会流失，整个发电机的输出将受到限制。所以说这两者是一个解不开的矛盾。那么基于上述的分析，你会发现结构超滑技术就很好的把两个矛盾解开，我们可以采用接触滑动的模式同时没有任何的磨损，所以它不会有击穿强度过低的问题，同时它的寿命是无穷大的。同时我们实验上也初步证明了上述的分析。

关于未来的展望，超滑发电机是一个针对小型传感器系统供电问题的一个颠覆性解决方案，并且其本身就可以做不需要供电的自供能传感器，就相当于把它的输出和它的运动性的关系倒过来应用。因此未来我们如果实现了集成的技术，我们可以将其集成到不同的尺度，那么其将在微型机器人，分布式传感，微型芯片等领域具有极大的应用应用场景。

最后，我再讲一下超滑微谐振器。首先，什么是谐振器，我相信大家都是了解的，那谐振器可以用来干什么呢？毫不夸张地说，谐振器在如今的电子设备中是随处可见的。

图11 超滑电致弹性微谐振器

比如说在未来万物互联的智能时代，少不了使用分布式传感器，而分布式传感的一个重要的组成部分就是微谐振器。谐振器可以做很多事情，那么现在的谐振器有哪些不足？现在的谐振器由于其原理的限制，很难实现谐振频率可调的功能。我们现在用的手机中里面有很多惯性器件、谐振传感器和滤波器，对于这些滤波器需要选择不同的谐振频率，因此要求谐振频率可调。日常生活中，存在大量频率不同的能量，我们想要采集这些能量的话，就要设计谐振频率匹配的器件；如果谐振频率可调，就可以极大拓宽能量采集器的采集范围。此外，某些应用场景对于调频速度也有一定要求，比如说有些人在做机械式的逻辑器件，它使用不同的谐振频率来代表0和1来进行逻辑运算，这个当然是调频速度越快，计算效率也就越高。

另外一个限制，就是目前的谐振器一般利用材料的应变来产生位移，但这个相对位移一般来说是比较小的，导致灵敏度不高、射频信号传输能力弱。试想一下，如果有一个微米尺度的谐振器，灵敏度很高，我们把它放在子弹上，是不是就能实现像导弹一样的精确制导？再例如未来一些微米级机器人，我们可以把它放在人体血管中对红细胞进行操作，那么微机器人是如何与外界进行通信？这就需要微谐振器来做一个射频信号传输装置。

基于此，我们通过结构超滑技术，设计了一个超滑微谐振器（图12左下），这个装置下面有两个电极，电极之间施加一个电压偏置，上面是一个超滑块，和下面的超滑电介质层是一个超滑的接触状态。通过理论计算可以得到上面的超滑块受力与位移的关系，如公式所示（图12左），这意味着有一个线性很好的弹簧在约束着上面石墨片的运动，并且这个弹簧的刚度K和施加的偏置电压V的平方成正比，所以谐振频率和偏置电压V成正比，因此，我们可以通过调节施加的偏置电压的大小来调节谐振频率，可以实现0-100MHz之间进行连续的调节，实现百分之百的频率可调性。此外，我们不是通过产生应变从而产生位移，因此我们突破了小位移的限制，可以看到谐振器的振幅和超滑块的尺寸是相当的，从而得到一个具有大相对位移的微谐振器。另外，由于结构超滑近零摩擦和零磨损的性质，我们可以计算出其品质因子理论上可以达到10000，和机械式谐振器相当。如果大家对此有什么问题或者有什么后续的想法，可以跟我一起讨论。

参考文献

[1] Hod, O.,Meyer, E. , Zheng, Q., & Urbakh, M. . (2018). Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales.Nature,563(7732).