一颗鸡蛋的重量，
能否拉动一头大象？
这一看似违背直觉的问题，
正在成为现实。
两个固体之间的相对滑动，是物质世界中最基本的运动形式之一。然而，摩擦与磨损无处不在，它们导致能量损耗、材料退化与机械失效，长期制约着精密机械与机电系统的发展。
自超滑是一种极端界面状态，可在两个固体表面无润滑剂直接接触滑动时，实现零磨损、零静摩擦以及近零摩擦系数。这一状态得益于非公度范德华界面中横向作用力的相互抵消，即由接触界面本身性质决定，无需任何润滑介质，被视为机械接触运动可能达到的物理极限。
此前，自超滑的接触尺度一直局限于纳米和微米范围，这大大限制了其应用想象空间。当接触尺寸增大时，晶体内部的弹性形变可能会诱导局部晶格重新匹配，从而破坏非公度状态，使其难以在更大尺度维持。围绕这一争议，郑泉水院士从各向异性材料力学理论出发提出不同观点，相信大尺度自超滑在物理上是可以实现的。
十多年来，郑泉水院士团队与国际多个研究团队持续致力于探索尺度拓展的可能路径。然而，实验上受限于材料缺陷、原子级加工制造难度以及界面污染吸附等因素，理论与数值模拟亦难以跨越尺度鸿沟，使尺度拓展研究长期进展缓慢。国际与国内研究逐渐转向“多接触点”策略，即通过大量纳米级非公度接触的组合实现工程意义上的超润滑（摩擦系数小于 0.01）。在这一背景下，自超滑被普遍认为仅存在于纳米与微米尺度的极端界面现象，“尺度障碍”成为该领域发展的关键瓶颈。
近日，清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士、彭德利课题组首次在肉眼可见的宏观尺度实现稳健自超滑，破解了这一持续多年的科学难题，将自超滑真正带入宏观世界。相关成果以《Observation of robust macroscale structural superlubricity》为题发表在物理学旗舰期刊《Physical Review Letters》，并入选Editor’s Suggestions。
研究团队基于无褶皱单晶石墨材料，发展了大尺度原子级光滑表面构筑方法，成功制备出近乎无缺陷的亚毫米尺度洁净非公度范德华界面。依托这一可直接观测的宏观滑动体系，研究人员首次能够采用宏观加载与测量方式直接研究自超滑行为。
实验结果显示，在 1 mN至 0.5 N 的宽载荷范围内，界面摩擦与载荷基本无关，其微分摩擦系数与绝对摩擦系数均低至 10-6量级。研究中还首次在宏观摩擦体系中观测到负摩擦系数现象，即载荷增加反而导致摩擦降低，表明界面摩擦已逼近其本征极限，摩擦系数实际趋近于零。
图1. 宏观自超滑界面摩擦力的载荷依赖性。（a）摩擦力随法向载荷（1 mN～0.5 N）的变化关系；（b, c）另外两组尺寸样品的摩擦力–法向载荷关系，均表现出负摩擦系数行为。
基于实验结果推算，即使将一头成年大象的重量施加于该界面，仅需相当于一颗鸡蛋重量的微小驱动力即可使其发生滑动。
进一步研究表明，在亚毫米尺度石墨与二硫化钼异质结界面中同样能够实现上述理想状态，说明宏观自超滑并非单一材料的特例，而在层状范德华材料体系中具有普适性。
这一研究成果是力学、材料科学、制造与表界面物理等多学科深度交叉融合的结果。宏观尺度稳定自超滑的实现，有望成为下一代机械与机电系统的根技术，为先进制造、高端装备、精密仪器、航空航天、智能机器人及新能源汽车等领域中的摩擦磨损问题提供颠覆性技术路径。
郑泉水、彭德利为共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2024级机械工程专业博士生韩旻昊、彭德利为共同第一作者。论文其他作者还包括苏州实验室教授丁峰、清华大学航天航空学院教授徐志平、以色列特拉维夫大学教授迈克尔·乌尔巴克（Michael Urbakh）、意大利的里雅斯特国际高等研究院博士后王进等。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金及深圳市重点实验室等支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bv6j-q22p
