“超滑”神話

從輪子誕生的那天起，工程師們就得面對一只攔路虎。不管傳動裝置或發動機有多耐用，也不管機械設計得多完美，任何零件都會因相互接觸而磨損。這個罪魁禍首是誰?當然是摩擦。不過，這一“機械的宿命”終于可以被拋諸腦后了。

車輪經常被看作人類發明的象征，車輪與軸組合后的物理性質可以使運動的物體方向保持不變，并減少了被拖拉物體與地面的摩擦力。增加了連接桿以后，輪被廣泛用于運輸以外的機械構件。機器開動時，滑動部件之間因摩擦而浪費動力，還會使機器的部件磨損，縮短壽命。長期以來，科學家們竭力設法除掉機器上的摩擦，目前，已經取得了很好的成績。

消滅機械的摩擦曾經只是科學家們的美好夢想。如今，有一種以非晶體碳為主要成分的涂層，它與一種潤滑油配合，實現了“超滑”的神話。真算得上是一場革命。一個國際小組已經成功調制出了一種材料和潤滑油的黃金配對，有史以來第一次達到了“超滑”的境界。

科學家把一種含有非晶體“四面體碳”的涂層和丙三醇按照一定比例組合起來，調制出一種不會對環境造成污染的可降解潤滑油。兩個機械接觸面涂上這種潤滑油后，之間就變得異常潤滑，幾乎沒有任何摩擦。這真是一個了不起的成就，對未來的影響不可估量。說這項技術影響不可估量，是因為它不僅僅停留在理論上。從2006年年底開始，一些技術先進的汽車公司已向市場投放了一種號稱“超滑”的發動機。

革命汽車工業

汽油又漲價了，不是第一次也不是最后一次。在相同動力條件情況下，汽車油耗少當然是最好，不僅節能減排而且還省下一筆不菲的開銷。我們先來分析一下油耗主要和什么有關，在開車的過程，總結起來就是油燃燒產生的能量轉化成動能，再被各種摩擦吃掉的一個過程。發動機是一個將化學能轉化成動能的機械部件，汽缸內混合氣體爆炸產生動能后，剩下的過程就是被各種摩擦消耗的過程。活塞與缸壁的摩擦；曲軸和軸瓦的摩擦；離合器盤和片的摩擦；變速箱分動箱里各種齒輪之間的摩擦；傳動軸前后橋里各種齒輪和軸承的摩擦；剎車片和盤之間的摩擦；最后輪胎和地面的摩擦吃掉了最后的動能，油燒完了，車又停下了，只不過地理位置上發生了轉移。從上面的過程來看，摩擦越少就會讓更多的動能用于車輛位移，做功就越多。

我們知道，根據已知的摩擦定律F=fp(F—摩擦力，f—動摩擦系數，p—垂直載荷<正壓力>)。在壓力p不變的情況下，加上潤滑油后，原來由金屬間很大的摩擦系數轉變為潤滑油間很小的摩擦系數，隨著摩擦系數f減小，摩擦力F也相應大大下降了，可見軸承的工作狀態直接影響了汽車的油耗。有效提高發動機輸出動能，可以大大降低油耗。通過下面的數字就能明白這項技術的意義。法國里昂中心學校摩擦學和系統動力學實驗室教授米歇爾·馬丁介紹說：“使用傳統內燃機，僅零件摩擦一項，就會浪費燃料提供動能的四分之一。”

在油耗參加減少摩擦這項技術角逐的不僅有汽車工業，事實上所有與機械有關的產業都受到波及。應該說，在機械領域摩擦無處不在。從電梯吊纜到公路路面，再到電站的輪機。這也意味著在潤滑油、維修和能源方面花費的代價極大。摩擦造成的無謂損耗竟高達機械生產總值的1／4還要多，這就不難明白為什么科學家長期以來一直不遺余力尋找對策。對他們來說，要減少兩個固體接觸面之間的摩擦，過去最符合邏輯、最有效的策略就是使兩個接觸面都盡可能光滑。

技術潛力驚人

問題隨之而來：即使接觸面表面在原子層面上是平坦的，原子本身(及原子問的相互作用力)還會產生一定的粗糙度。這種粗糙度是基本的、內在的，即便磨得再平，也消除不了。在所有牽涉到光滑表面的應用中，最根本的問題就在于防止兩個接觸面最外層的原子發生相互作用。過去，科學家們一度認為已經找到了解決問題的金鑰匙。當時，實驗證明，若將兩個晶體表面按某個“神奇”的角度接觸，兩者之間的摩擦幾乎為零。因為這樣做，兩個接觸面最外層的原子不發生相互混合，所以也就不發生摩擦。“超滑”的理論也由此誕生。

實驗表明，這種晶體角度接觸的潛力驚人：其摩擦系數比任何一種干燥材料都低2個數量級(1個數量級為10的1次方)，比加潤滑油后的材料低1個數量級。可惜的是，若要大范圍應用，需要純度極高的材料，并且要在真空條件下實現。這樣苛刻的條件一般工業難以滿足，該技術也就變得無法開發利用，除非是在太空中。“超滑”是不是就此出局了呢?一種“四面體碳”和丙三醇配對的發現帶來了重要轉機。

從2006年開始，科學家進行了一系列針對碳涂層的詳細對比研究。研究發現，一種叫“四面體碳”的材料因其硬度而具有出色的光滑度。除此之外，為了達到“超滑”的要求，還要找一種合適的潤滑油。經過多次測試后，丙三醇脫穎而出。這種帶3個碳原子的醇(C₃H₈O₃)由植物合成，安全無毒。它過去一直是制藥的傳統原料，用于糖漿、栓劑等的生產，它的摩擦系數極小，達到了晶體表面按“神奇”角度接觸時的驚人數值。不同的是，這次是在正常大氣壓下。

能有如此出色的性能，奧秘在于一項小發明。即當機械金屬表面上有了1微米厚的涂層后(在真空條件下將碳噴灑加工在金屬材料的表面)，經過一系列特殊處理，再涂上一層厚度僅為2納米的石墨。實驗表明，這種石墨活性很強，丙三醇中的羥基就會附著在上面。但是，這些羥基不是像金屬原子那樣緊緊地吸附，而是相互之間上下運動。空氣本來會弄臟晶體涂層，但這一千擾現在已被丙三醇構筑的盾牌消除了。這樣，“超滑”潤滑油就不需要真空條件也能正常發揮作用了。

研究意義巨大

一些國際大型汽車公司近水樓臺先得月，早于2006年年底推出了經“超滑”潤滑油處理的發動機。確切地說，得到改進的是控制汽油閥和排氣閥的提桿，它們要和凸輪發生摩擦。這種發動機和優質潤滑油配合，可以節約2％左右的燃料，這一數字對于如此細微的改動來說已經十分可觀。而且，“超滑”潤滑油加工技術將推廣到發動機的其他零部件上。比如活塞這一摩擦的“重災區”，應用了該技術后，可以再節約幾個百分點的燃料。除了燃料消費的減少外，采用甘油單油酸酯(丙三醇的一種衍生物，在0℃時不凝結)作為潤滑油，能消除傳統礦物油中的添加劑(硫、磷等)對環境的污染。

美國麻省理工學院的研究員、機械物理學家南娜吉·薩加認為，在美國，由摩擦造成的開支(包括磨損、維修，能量損失等)每年超過國內生產總值的6％，也就是7940億美元。這個天文數字也被法國機械工業技術中心進行的研究所證實：在法國，摩擦造成的開支竟高達法國國內生產總值的3％，也就是250億歐元，其中50％被用在設備維修上。減少這筆巨額開支并不是全部關鍵所在。法國國家環境和能源控制署認為，法國每年生產超過24萬噸油，若將礦物油換成丙三醇的一種衍生物。這個數字將會減少。而且，處理礦物廢渣代價昂貴，能被收集起來的廢渣只占全部廢渣的85％。

目前，全球醫療器材生產的領軍企業也對這項技術產生了濃厚的興趣。如何應用到醫療器材領域雖然還是秘密，但人們至少能想象到在皮膚下面滑溜無比的皮下注射針頭和導管，至少會減輕病人的痛苦。隨著研究的深入，“超滑”技術必將超出機械領域的范圍。有人假想，如果把這種“超滑”技術應用到軍事上，一旦戰爭爆發，將這種超潤滑材料灑到敵方的公路上、鐵路的鐵軌上和飛機起飛的跑道上，使對方的戰車、運兵車、火車無法運行，軍用物資無法運送；飛機不能起飛，失去制空權……這樣“超滑”技術的研究還真有點戰略意義呢。到時，我們的生活又會發生怎樣的變化呢?