院士雒建斌：“摩擦”研究為現(xiàn)實(shí)服務(wù)

近年來(lái)，我國(guó)在摩擦學(xué)領(lǐng)域取得了一系列重要突破。研制了新型納米級(jí)潤(rùn)滑膜厚度測(cè)量?jī)x，在國(guó)際上首次提出“薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)”概念，填補(bǔ)了彈流潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑之間的理論空白，還在應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域大膽探索超滑和拋光問(wèn)題，為工業(yè)發(fā)展解決了一系列技術(shù)難題。“摩擦中微粒作用機(jī)制及超滑機(jī)理”成果獲得2020年度陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)技術(shù)科學(xué)獎(jiǎng)。這些貢獻(xiàn)離不開一位在摩擦學(xué)領(lǐng)域潛心科研的科學(xué)家，他就是中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主席雒建斌。

科研源自生活的發(fā)現(xiàn)

“大家吃藥的時(shí)候，有時(shí)是不是覺得很難咽下去？卡在嗓子眼兒挺難受對(duì)吧？將來(lái)要應(yīng)用技術(shù)研究成果，給藥丸表面上做一層類似潤(rùn)滑劑的材料，吃藥就會(huì)順利得多。”中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)雒建斌用淺顯易懂的道理開始講起他對(duì)摩擦學(xué)的研究，“摩擦力有兩個(gè)方向，一個(gè)是增摩，一個(gè)是減摩。像我們?nèi)粘Ｖ械膭x車片，如飛機(jī)降落和火車降速時(shí)都要?jiǎng)x車，就需要增加摩擦，但又不能增加太大，否則就抱死了。再比如設(shè)計(jì)球鞋就需要增摩。相對(duì)應(yīng)的另一面就是把摩擦的能耗降下來(lái)，比如你要滑冰，就需要減摩。根據(jù)人類的需求，這兩個(gè)方向在日常生活中都需要，也都很重要，其中減摩在工業(yè)界更為重要一些。只有得心應(yīng)手的控制摩擦，才能給人類帶來(lái)更多益處，也會(huì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)更多可能。”

當(dāng)記者問(wèn)到為何選擇研究摩擦學(xué)時(shí)，雒建斌笑著說(shuō)：“恢復(fù)高考的第二年，我考上東北大學(xué)材料系，畢業(yè)后進(jìn)入西安電纜廠工作，就是在那里結(jié)緣了摩擦學(xué)。工作中一個(gè)現(xiàn)象引起了我的注意：電纜廠制作電纜時(shí)有一道工藝叫拉拔銅絲，一到夏天，拉拔銅絲就會(huì)因高溫而氧化，氧化后銅絲就變成了廢品。我就和同事一起，開始研究如何控制銅絲氧化，如何降低銅絲溫度，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，一旦改進(jìn)潤(rùn)滑效果，氧化問(wèn)題就大幅度改善，還發(fā)表了自己的第一篇學(xué)術(shù)論文。自此，我對(duì)摩擦學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，也更加堅(jiān)定了搞科研的決心。”

為更好地鉆研摩擦學(xué)，雒建斌開始意識(shí)到要進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)深造。1985年，他到西安建筑科技大學(xué)冶金系攻讀碩士研究生，導(dǎo)師為金屬加工摩擦學(xué)專家嚴(yán)崇年教授，開始進(jìn)入摩擦學(xué)研究領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究。在求知欲的驅(qū)使下，他于1991年又考取清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系博士研究生，進(jìn)入摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，師從中國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)著名摩擦學(xué)專家、教授溫詩(shī)鑄。

懷揣著對(duì)摩擦學(xué)的熱愛，博士畢業(yè)后的雒建斌選擇留在清華大學(xué)，在這里，他和“摩擦研究”形影不離。

“我當(dāng)時(shí)覺得自己性格比較適合于科研工作，也非常喜歡清華的學(xué)術(shù)氛圍。導(dǎo)師有次到國(guó)外考察，得知可以測(cè)量納米級(jí)潤(rùn)滑膜測(cè)試技術(shù)，他就把這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)任務(wù)交給了我和青年教師黃平博士。”雒建斌說(shuō)，“納米級(jí)潤(rùn)滑膜測(cè)試技術(shù)是當(dāng)時(shí)全新的國(guó)際前沿領(lǐng)域，沒有人知道應(yīng)該從何入手，我們只能摸著石頭過(guò)河。”

經(jīng)過(guò)雒建斌和團(tuán)隊(duì)的不懈攻關(guān)，他們成功研制出納米級(jí)薄膜厚度測(cè)量?jī)x，并獲得1996年國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，這一測(cè)量?jī)x為后續(xù)的薄膜潤(rùn)滑理論研究奠定了基礎(chǔ);在國(guó)際上首次提出“薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)”概念，填補(bǔ)了彈流潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑之間的理論空白，并于2001年獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

“摩擦學(xué)是一門研究物體表面摩擦行為的交叉學(xué)科。摩擦現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，往往伴隨著磨損。摩擦、磨損會(huì)引發(fā)能源消耗，給設(shè)備、器件、材料帶來(lái)?yè)p失。我國(guó)是制造大國(guó)，機(jī)械裝備使用壽命較短，低端高耗能裝備較多，每年因摩擦、磨損造成的浪費(fèi)巨大。有人做過(guò)計(jì)算，摩擦和磨損合起來(lái)的損失大概約占GDP的5%～7%，假如按照5%計(jì)算的話，2020年GDP大概100萬(wàn)億以上，那通過(guò)摩擦和磨損的消耗就高達(dá)5萬(wàn)億左右。”雒建斌如此解釋自己為之癡迷的科研工作意義所在，“實(shí)際上，摩擦學(xué)不僅在航空航天領(lǐng)域，在芯片制造、高端裝備、生物、高鐵、軍事領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，全世界每年約30%的一次能源因?yàn)槟Σ帘幌模s80%的機(jī)器零部件因?yàn)槟p而失效，約50%的機(jī)械裝備惡性事故起源于潤(rùn)滑失效和過(guò)度磨損。”

在將近四十年的科研生涯中，雒建斌始終在尋找答案：如何降低摩擦系數(shù)？如何減少摩擦能耗節(jié)約能源？如何讓人類社會(huì)的綠色發(fā)展成為可能？在薄膜潤(rùn)滑理論研究取得突破后，雒建斌向“超滑”下手，開始挑戰(zhàn)這個(gè)困擾國(guó)際摩擦學(xué)界的科學(xué)難題。

走進(jìn)超滑研究的世界

自然界中，兩個(gè)物體之間運(yùn)動(dòng)，必然產(chǎn)生摩擦。當(dāng)摩擦系數(shù)幾乎為零時(shí)，就是超滑現(xiàn)象。

“在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)、人們生活中，超滑研究有著很多實(shí)際應(yīng)用。國(guó)外專家調(diào)研，若將轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦系數(shù)降低18%，每年大約能夠節(jié)約5400億元燃油費(fèi)，減少2.9億噸二氧化碳排放。只要在超精密設(shè)備的接觸副里面，都有薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)存在，一個(gè)穩(wěn)定的薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)精密軸承、超精密軸承以及超精密運(yùn)動(dòng)副都是非常重要的，包括超精密的齒輪箱也都有這種狀態(tài)存在。認(rèn)識(shí)了它的狀態(tài)、特性，就可以設(shè)計(jì)潤(rùn)滑分子模式，在這種狀態(tài)下如何能夠?qū)崿F(xiàn)好的潤(rùn)滑狀態(tài)、好的潤(rùn)滑情況，意義重大。比如運(yùn)動(dòng)副、摩擦副材料的選擇，要考慮到材料和周圍分子的相互作用。分子設(shè)計(jì)的時(shí)候，要同時(shí)考慮分子以及固體對(duì)它的作用影響，兩個(gè)都考慮才對(duì)運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)有幫助。”雒建斌說(shuō)。

超滑如何實(shí)現(xiàn)？借助何種物質(zhì)實(shí)現(xiàn)？對(duì)潤(rùn)滑材料的分子特征有哪些要求？早在1996年雒建斌和團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行超滑研究，但一直沒有重要進(jìn)展。

2008年，他們組的學(xué)生有一次無(wú)意把酸奶帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室加到實(shí)驗(yàn)機(jī)上，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)一下降到了千分之二點(diǎn)八。雒建斌迅速把學(xué)生們分成幾個(gè)研究組，分別研究酸奶里的乳酸菌、乳酸、蛋白質(zhì)、微量元素對(duì)超滑的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸奶做摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，若實(shí)驗(yàn)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，超滑現(xiàn)象就消失了，由此證明酸奶實(shí)現(xiàn)的是“假超滑”。

“事實(shí)上，我們每項(xiàng)研究跨度都很大，研究周期也比較長(zhǎng)，期間遇到無(wú)數(shù)次大大小小的失敗。做科研沒有毅力是不行的。”雒建斌饒有興致地向記者講起日常的一些小故事。比如在研究乳酸菌對(duì)超滑的影響時(shí)，學(xué)生們要整天在顯微鏡下觀察，反復(fù)的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致他們有的人現(xiàn)在看到酸奶就沒胃口。后來(lái)他們用磺酸和丙三醇混合時(shí)就實(shí)現(xiàn)了超滑，非常穩(wěn)定，大概磨合了十分鐘左右，摩擦系數(shù)就降到了超滑狀態(tài)。緊接著他們又在意想不到的腐蝕劑磷酸中，發(fā)現(xiàn)超滑現(xiàn)象。再比如，雒建斌一次在杭州吃莼菜湯時(shí)，發(fā)現(xiàn)用筷子根本夾不起來(lái)，只能用勺子，而且入口特別順滑，有個(gè)想法突然就涌在腦海——莼菜中的某些成分是不是具有超滑效應(yīng)？回到學(xué)校后，他便迫不及待與學(xué)生們一起開展莼菜的超滑性能研究。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它的摩擦系數(shù)達(dá)到千分之五，是一種層狀的超滑材料。

隨著不同液體超滑現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，新的液體超滑機(jī)理被提出，超滑的大門在清華大學(xué)打開了。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，面對(duì)同學(xué)們出現(xiàn)激烈爭(zhēng)論以及氣餒的現(xiàn)象時(shí)，一向溫和的雒建斌從沒發(fā)過(guò)脾氣，他會(huì)在尊重科學(xué)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)判斷的前提下，讓同學(xué)們“不要放棄”“再堅(jiān)持一下”。歸納起來(lái)，世界上公認(rèn)的超滑大概有三種機(jī)理：雙電層作用、流體動(dòng)壓效應(yīng)和水合作用。其中前兩種超滑機(jī)理就是雒建斌研究組提出來(lái)的。最終，他和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了多種配比的酸、醇、堿溶液、糖類、油基液體和多種固體材料都能實(shí)現(xiàn)超滑。目前，雒建斌在超滑研究方面已經(jīng)走到了世界前列，發(fā)現(xiàn)了新的超滑體系和超滑機(jī)理，為超滑走向工業(yè)應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

做研究是為現(xiàn)實(shí)服務(wù)

“當(dāng)超滑實(shí)現(xiàn)后，承壓的范圍只能到300兆帕。然而，要真正在工業(yè)上產(chǎn)生大量的應(yīng)用，就要把它的承載能力提高，提高到1吉帕以上。國(guó)際上液體超滑現(xiàn)有三個(gè)大的研究組：一個(gè)是以色列小組，一個(gè)是日本小組，還有一個(gè)就是我們小組。從溶液看，中國(guó)組的體系已經(jīng)非常龐大;從承載能力看，以色列小組大概做到70兆帕，日本做到100兆帕，我們提出的固液耦合超滑體系后，將液體超滑的承載能力提高到了1.2吉帕以上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提高。在液體超滑論文方面，早在2015年，我國(guó)跟世界其他國(guó)家的總和差不多，現(xiàn)在我們已超過(guò)其他國(guó)家總和。而國(guó)內(nèi)的成果多數(shù)來(lái)自我們研究組。”提及研究成果，雒建斌對(duì)團(tuán)隊(duì)感到自豪，“同一個(gè)事情全世界很多人在做，只有方向?qū)Α⑹侄魏谩⒊蓡T能力強(qiáng)，組合在一起才能做到最好。”

他也強(qiáng)調(diào)，超滑要想推向應(yīng)用，必須解決這個(gè)矛盾：對(duì)于液體而言，為了減少摩擦，需要弱的分子間作用;而為了承受載荷，需要強(qiáng)的分子間作用。如何解決這個(gè)矛盾，才是液體超滑應(yīng)用研究的關(guān)鍵。

三十多年來(lái)，雒建斌還在應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域大膽探索超滑和拋光問(wèn)題，為工業(yè)發(fā)展解決了一系列技術(shù)難題。那么，將來(lái)近零摩擦和近零磨損就會(huì)有更廣遠(yuǎn)的前景，超滑應(yīng)用的這扇大門已經(jīng)打開了并逐步向工業(yè)界推廣。

“目前，很多成果做完以后，發(fā)一個(gè)高水平論文或者拿一個(gè)國(guó)家獎(jiǎng)項(xiàng)就算結(jié)束了，這是對(duì)成果的最大浪費(fèi)。一項(xiàng)成果出來(lái)后，一定要走出實(shí)驗(yàn)室，除了理論研究外，其被工業(yè)界所采用才是科研工作者最大的價(jià)值體現(xiàn)。”雒建斌說(shuō)。

近幾年，除了泡在實(shí)驗(yàn)室里，雒建斌的身影還越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在工廠 、車間和生產(chǎn)一線。因?yàn)?998年左右，雒建斌和團(tuán)隊(duì)到廣東一家計(jì)算機(jī)硬盤磁頭公司參觀工藝，本來(lái)是要介紹薄膜潤(rùn)滑技術(shù)，但他卻被對(duì)方高管提出的磁頭拋光精度難題給吸引住了。這是計(jì)算機(jī)硬盤制造業(yè)面臨的難題，于是，如何把握好這個(gè)度、降低磁頭磁盤表面粗糙度、改進(jìn)保護(hù)膜性能，成了雒建斌實(shí)驗(yàn)室新的研究方向。

正是因?yàn)椴痪心嘤跅l條框框，也為了幫工廠車間研發(fā)實(shí)用的工藝，雒建斌做起了摩擦中的“拋光生意”。

在薄膜潤(rùn)滑研究過(guò)程中，雒建斌和實(shí)驗(yàn)室人員發(fā)現(xiàn)，在潤(rùn)滑液中加入納米金剛石顆粒后，產(chǎn)生了良好的微拋光效果。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這有可能適合于硬盤磁頭表面加工。對(duì)于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，也遭到不少同行質(zhì)疑，“難度太大”“這不是傳統(tǒng)摩擦學(xué)的路徑”“不務(wù)正業(yè)”……雒建斌沒有放在心上，他始終認(rèn)為，研究就是要服務(wù)于實(shí)際生產(chǎn)，能解決問(wèn)題就是有價(jià)值的事情。

頂著外界壓力，雒建斌率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，將清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究和企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，成功把納米金剛石顆粒引入了磁頭表面拋光液中，不僅將磁頭表面粗糙度降低了50%，實(shí)現(xiàn)了硬盤存儲(chǔ)密度的大幅提升，同時(shí)也證明了摩擦學(xué)與納米制造結(jié)合是正確的，目前已成為摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一個(gè)全新的發(fā)展方向。

當(dāng)前，世界上超滑領(lǐng)域的頂尖論文有五六成都出自雒建斌的團(tuán)隊(duì)，可他卻說(shuō)這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠：“做好科研是我為國(guó)家作貢獻(xiàn)的最好方式，也讓我感到無(wú)上光榮。要讓中國(guó)人在摩擦學(xué)領(lǐng)域中做到最好，我們還需要更加努力。”