文章导读
粘滑通常伴随高摩擦和磨损，自超滑却以近零摩擦、零磨损为特征，两者似乎难以共存。清华大学深圳国际研究生院郑泉水团队在洁净金/石墨界面上发现，驱动速度低于临界值时，界面仍会稳定、可控地周期性粘滑，同时保持自超滑特征。研究提出，石墨表面空位俘获金原子形成的弱钉扎促成这一现象，并通过转角、探针刚度和温度实验检验机制。这项发现将如何改变我们对粘滑与磨损关系的认识？
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粘滑（stick-slip）与自超滑（SSL）这两种看似互斥的界面状态，能否同时存在？近日，清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士团队在金/石墨自超滑界面上发现了一种反常现象：当驱动速度低于某一临界值时，界面出现稳定、可控的周期性粘滑，同时仍保持近零摩擦系数与零磨损。这一发现表明，粘滑并不必然伴随高摩擦、高磨损，也深化了对滑动界面基本规律的认识，为微纳器件的可控驱动提供了新思路。
粘滑是滑动界面上最普遍的现象之一，其内禀的周期性为精密控制提供了可能，也蕴含着丰富的物理信息。但粘滑通常与高摩擦、高磨损相伴，带来振动噪声、能耗上升与表面退化，严重限制了实际应用。正因如此，现代界面科学长期致力于消除粘滑以实现低功耗与长寿命，并由此发展出超滑研究。其中，自超滑是两个固体表面间无润滑剂直接接触滑动时，实现极低摩擦和零磨损的极致理想状态。
然而，能否在自超滑界面上观察到稳定、可控的周期性粘滑？学界尚无定论。已有研究提供了一些线索。原子力显微镜针尖实验表明周期能量势垒与探针“软弹簧”耦合即可产生粘滑，但非公度自超滑界面上极微弱的势垒能否扮演同样角色仍存争议；金属/二维材料自超滑体系普遍表现反常静摩擦峰，但其物理图像长期被边界润滑层、摩擦老化、化学成键、摩尔超晶格与边缘效应等因素掩盖，缺乏系统认识。
实验体系、结果与机制概览
针对上述问题，研究团队在超高真空中原位制备了微米级单晶金滑块/单晶石墨接触界面，发现当驱动速度低于某一临界值时，界面呈现稳定的周期性粘滑，同时保持自超滑特征：近零的微分摩擦系数、3000次循环下稳定的摩擦力，以及滑动后石墨表面拉曼光谱无缺陷D峰的零磨损。摩擦力随速度呈现“速度无关—负相关—次线性正增长”的非单调三区间行为，其中负相关区与传统认知相反。通过刻意在界面引入水分子与空气有机污染物的对照实验，确认该现象为洁净本征界面所独有。机理上，团队提出石墨表面稀疏点空位俘获孤立金原子、并与金滑块底面形成金属键的弱钉扎图像：热激活成键与力致断键之间的竞争决定静—动摩擦的切换，并给出临界速度的标度律。转角与探针刚度两组控制实验验证了该标度律，临界速度随温度升高而增大的趋势也与热激活成键的图像相符。
相关研究成果以“具有自超滑特征的粘滑行为观测”（Observation of stick-slip behavior with structural superlubric characteristics）为题，于9月14日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
论文第一作者为清华大学航天航空学院2022级力学专业博士生陈伟鹏，通讯作者为中国科学院院士、清华大学深圳国际研究生院教授郑泉水，清华大学深圳国际研究生院助理教授彭德利和深圳大学机电与控制工程学院副教授吴章辉。
该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、欧洲研究理事会、广东省及深圳市相关科技计划项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-77734-3
供稿：深圳国际研究生院
编辑：李华山
审核：王晓霞
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低摩擦下还能出现粘滑，确实挺反直觉。