发生在运动界面的热现象几乎无处不在。两个多世纪前，伦福德伯爵正是通过对大炮镗孔过程中运动界面摩擦生热的研究，为人们重新认识热的本质奠定了基础。近年来，面向人工智能与物理世界的深度交互，各类具备主动感知与执行能力的动态器件快速发展，对高性能传感器和驱动器提出了全新的要求。从微纳驱动器、精密运动平台，到高速存储、半导体装备和航天机构，越来越多的系统都面临一个共同问题：如何让两个界面既能够自由运动，又能够长期稳定、高效地传递热量？
然而，尽管静态界面已经得到长期深入的研究，人们对于可动界面热输运的认识仍然十分有限。近年来，界面旋转和滑移开始被视为调控热流的新自由度，但已有实验大多仍停留在对不同固定样品或堆垛构型的比较上，这类以静代动的测量既难以排除样品间差异的干扰，也无法刻画界面在真实运动过程中热输运的动态演化，针对原位运动界面的直接实验测量至今仍然空白。究其原因，传统固体表面不可避免地存在微观粗糙度，真实接触往往仅发生在少量微凸体上，实际接触面积通常不足名义面积的1%，使界面热导常低于0.1 MW m-2 K-1；持续滑动产生的磨损还会不断改变接触形貌，使热导进一步退化，也让原位、可重复的定量测量异常困难。自超滑技术则为突破这一困境提供了新的可能。其近零摩擦和零磨损特性使界面在保持自由运动的同时仍可维持充分的原子级接触，从而有望兼顾可动性与高效导热。
近日，清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士团队与北京大学宋柏研究员团队合作，在自超滑运动界面热输运研究方面取得重要进展。研究团队以金/石墨异质超滑界面为研究对象，实现了界面机械操控与热输运测量的结合。研究发现，金/石墨结构超滑界面的热导可稳定保持在约30 MW m-2 K-1。相比传统可动接触，其热导可提高两个数量级以上。即使界面连续发生大角度旋转，或者经历数千次往复滑动，其热导仍几乎保持不变，显示出自超滑界面在兼顾界面可动与高效导热方面的独特优势。该研究以“可动异质界面的鲁棒高热导”（Moving heterointerface with robustly high thermal conductance）为题，发表于物理学经典期刊《Physical Review X》。
研究团队首先在单晶外延石墨（EG）表面直接生长单晶Au（111）薄膜，并通过微加工制备微米尺度金岛（图1），使得金/石墨界面原子级平整并处于自超滑状态。在此基础上，团队利用自主设计搭建的配备力传感器的精密操纵平台，推动金岛在EG表面原位运动，并结合频域热反射法（FDTR）测量界面热导。由于金岛本身即可作为光热换能层，无需额外沉积金属层，从而为可操控异质界面的热测量提供了理想条件。
图1. 金/石墨异质超滑界面的构筑及基本表征
图2. 原位多次旋转金/石墨界面至不同角度
研究人员首先研究了界面旋转的影响。如图2和图3所示，对多个金岛进行旋转，转角范围覆盖约−50°至70°，发现不同转角下的FDTR信号几乎重合，金/石墨超滑界面的热导始终保持在约30 MW m-2 K-1，表现出高度的转角鲁棒性。这一热导虽然低于此前该团队报道的石墨/石墨同质超滑界面，但仍显著高于诸多已有实验测得的、具有潜在超滑特性的静态范德华异质界面。更为重要的是，其热导相比传统可动接触高出两个数量级以上。团队进一步比较了单晶与多晶金岛和石墨之间的界面热导，其一致性说明界面热导对晶体取向和晶界均不敏感。
图3. 金/石墨界面热导的转角鲁棒性
在此基础上，团队又探索了界面滑动对导热的影响（图4和图5）。利用原子力显微探针驱动金岛原位往复滑动3000个循环后，界面摩擦在整个过程中始终保持极低水平，界面热导也未出现明显变化。滑动结束后移开金岛，原子力显微镜表征显示EG表面仍保持原子级平整，拉曼光谱也未出现代表缺陷的D峰，表明界面没有发生可观测磨损。为了进一步证明自超滑的无磨损特性对于热导鲁棒性的作用，研究团队又将金岛机械转移到含表面台阶和缺陷的高定向热解石墨（HOPG）上进行对照。仅经过50次滑动，HOPG界面便出现明显磨损，界面热导下降超过60%；而使用同样方法转移到原子级平整EG上的金岛仍保持鲁棒的热导。
图4. 原子力显微镜探针操纵金/石墨界面往复滑动
图5. 金/石墨界面热导的滑动鲁棒性与磨损对比
进一步，研究团队对金/石墨界面鲁棒高热导的物理机制进行了分析（图6）。首先，自超滑状态确保界面在运动过程中始终维持原子级接触，是高效热输运的先决条件。当金岛被转移到经氧等离子体处理后较高粗糙度的HOPG表面时，界面热导下降约40倍，直接说明真实接触面积对热输运的决定性作用；而超滑界面的无磨损特性，又使这种原子级接触能够在反复运动中长期保持。其次，团队结合基于机器学习势的非平衡分子动力学模拟和第一性原理计算，对界面不同导热通道和声子模式进行了分解。结果表明，金/石墨界面的热输运主要由声子-声子耦合贡献，电子通道的贡献很小。其中面外声子模式占据主导，并且对界面堆垛构型和界面滑移不敏感。相比之下，易受转角和滑移影响的面内声子模式对总热导的贡献很低。因此，无论金岛发生旋转还是滑移，界面热导都几乎保持不变。这一结果与团队此前对石墨/石墨同质超滑界面的研究形成了鲜明对比：在石墨同质界面中，转角会显著抑制横向声学声子，导致界面热导变化超过30倍；而在金/石墨异质界面中，虽然部分面内声子同样受到转角影响，但主导热输运的面外声子模式对堆垛并不敏感，因此表现出高度鲁棒的界面热导。
图6. 金/石墨界面鲁棒高热导的机制分析
长期以来，高效导热通常要求界面尽可能紧密接触，而运动又往往需要降低黏附和摩擦，两者在传统接触界面中难以兼得。该研究表明，自超滑可以在保持充分接触的同时实现近零摩擦和无磨损运动，从而构建一种“既能动、又导热”的理想运动接触。对于基础研究而言，这为排除粗糙度和磨损干扰、探索动态界面中的声子物理提供了独特平台。与此同时，随着自超滑材料体系的不断拓展以及宏观尺度超滑技术的发展，这类兼具低摩擦、零磨损和高效导热特性的可动界面也有望在新型微纳器件和动态机械系统的热管理中发挥重要作用。
清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心与北京大学联合培养的已毕业博士生杨馥玮，北京大学博士生周文江，清华大学博士后王叶凌怡为共同第一作者。清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士、北京大学宋柏研究员为共同通讯作者，论文合作者还包括北京大学研究员王毓熙、清华大学深圳国际研究生院助理教授彭德利。本研究获得国家自然科学基金创新研究群体项目B类（52521007）、教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-E1）、国家重点研发计划（2024YFA1207900）、国家自然科学基金（12574037）、广东省自然科学基金（2025A1515012226）以及国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）（525B2087）的资助。感谢中国科协、新基石科学基金会“科学探索奖”、北京大学分子材料与微纳加工实验室、深圳市超滑技术重点实验室以及北京大学高性能计算平台的支持。
论文链接：
《Physical Review Letters》https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.146302
《Physical Review X》https://doi.org/10.1103/yzn5-723b
