“超滑”神話

從輪子誕生的那天起，工程師們就得面對(duì)一只攔路虎。不管傳動(dòng)裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)有多耐用，也不管機(jī)械設(shè)計(jì)得多完美，任何零件都會(huì)因相互接觸而磨損。這個(gè)罪魁禍?zhǔn)资钦l(shuí)?當(dāng)然是摩擦。不過，這一“機(jī)械的宿命”終于可以被拋諸腦后了。

車輪經(jīng)常被看作人類發(fā)明的象征，車輪與軸組合后的物理性質(zhì)可以使運(yùn)動(dòng)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(yùn)輸以外的機(jī)械構(gòu)件。機(jī)器開動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)部件之間因摩擦而浪費(fèi)動(dòng)力，還會(huì)使機(jī)器的部件磨損，縮短壽命。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們竭力設(shè)法除掉機(jī)器上的摩擦，目前，已經(jīng)取得了很好的成績(jī)。

消滅機(jī)械的摩擦曾經(jīng)只是科學(xué)家們的美好夢(mèng)想。如今，有一種以非晶體碳為主要成分的涂層，它與一種潤(rùn)滑油配合，實(shí)現(xiàn)了“超滑”的神話。真算得上是一場(chǎng)革命。一個(gè)國(guó)際小組已經(jīng)成功調(diào)制出了一種材料和潤(rùn)滑油的黃金配對(duì)，有史以來第一次達(dá)到了“超滑”的境界。

科學(xué)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(diào)制出一種不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的可降解潤(rùn)滑油。兩個(gè)機(jī)械接觸面涂上這種潤(rùn)滑油后，之間就變得異常潤(rùn)滑，幾乎沒有任何摩擦。這真是一個(gè)了不起的成就，對(duì)未來的影響不可估量。說這項(xiàng)技術(shù)影響不可估量，是因?yàn)樗粌H僅停留在理論上。從2006年年底開始，一些技術(shù)先進(jìn)的汽車公司已向市場(chǎng)投放了一種號(hào)稱“超滑”的發(fā)動(dòng)機(jī)。

革命汽車工業(yè)

汽油又漲價(jià)了，不是第一次也不是最后一次。在相同動(dòng)力條件情況下，汽車油耗少當(dāng)然是最好，不僅節(jié)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(guān)，在開車的過程，總結(jié)起來就是油燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，再被各種摩擦吃掉的一個(gè)過程。發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的機(jī)械部件，汽缸內(nèi)混合氣體爆炸產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)箱里各種齒輪之間的摩擦；傳動(dòng)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(dòng)能，油燒完了，車又停下了，只不過地理位置上發(fā)生了轉(zhuǎn)移。從上面的過程來看，摩擦越少就會(huì)讓更多的動(dòng)能用于車輛位移，做功就越多。

我們知道，根據(jù)已知的摩擦定律F=fp(F—摩擦力，f—?jiǎng)幽Σ料禂?shù)，p—垂直載荷<正壓力>)。在壓力p不變的情況下，加上潤(rùn)滑油后，原來由金屬間很大的摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)滑油間很小的摩擦系數(shù)，隨著摩擦系數(shù)f減小，摩擦力F也相應(yīng)大大下降了，可見軸承的工作狀態(tài)直接影響了汽車的油耗。有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)能，可以大大降低油耗。通過下面的數(shù)字就能明白這項(xiàng)技術(shù)的意義。法國(guó)里昂中心學(xué)校摩擦學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授米歇爾·馬丁介紹說：“使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，僅零件摩擦一項(xiàng)，就會(huì)浪費(fèi)燃料提供動(dòng)能的四分之一。”

在油耗參加減少摩擦這項(xiàng)技術(shù)角逐的不僅有汽車工業(yè)，事實(shí)上所有與機(jī)械有關(guān)的產(chǎn)業(yè)都受到波及。應(yīng)該說，在機(jī)械領(lǐng)域摩擦無處不在。從電梯吊纜到公路路面，再到電站的輪機(jī)。這也意味著在潤(rùn)滑油、維修和能源方面花費(fèi)的代價(jià)極大。摩擦造成的無謂損耗竟高達(dá)機(jī)械生產(chǎn)總值的1／4還要多，這就不難明白為什么科學(xué)家長(zhǎng)期以來一直不遺余力尋找對(duì)策。對(duì)他們來說，要減少兩個(gè)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(gè)接觸面都盡可能光滑。

技術(shù)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(huì)產(chǎn)生一定的粗糙度。這種粗糙度是基本的、內(nèi)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(yīng)用中，最根本的問題就在于防止兩個(gè)接觸面最外層的原子發(fā)生相互作用。過去，科學(xué)家們一度認(rèn)為已經(jīng)找到了解決問題的金鑰匙。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明，若將兩個(gè)晶體表面按某個(gè)“神奇”的角度接觸，兩者之間的摩擦幾乎為零。因?yàn)檫@樣做，兩個(gè)接觸面最外層的原子不發(fā)生相互混合，所以也就不發(fā)生摩擦。“超滑”的理論也由此誕生。

實(shí)驗(yàn)表明，這種晶體角度接觸的潛力驚人：其摩擦系數(shù)比任何一種干燥材料都低2個(gè)數(shù)量級(jí)(1個(gè)數(shù)量級(jí)為10的1次方)，比加潤(rùn)滑油后的材料低1個(gè)數(shù)量級(jí)。可惜的是，若要大范圍應(yīng)用，需要純度極高的材料，并且要在真空條件下實(shí)現(xiàn)。這樣苛刻的條件一般工業(yè)難以滿足，該技術(shù)也就變得無法開發(fā)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(duì)的發(fā)現(xiàn)帶來了重要轉(zhuǎn)機(jī)。

從2006年開始，科學(xué)家進(jìn)行了一系列針對(duì)碳涂層的詳細(xì)對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)到“超滑”的要求，還要找一種合適的潤(rùn)滑油。經(jīng)過多次測(cè)試后，丙三醇脫穎而出。這種帶3個(gè)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(tǒng)原料，用于糖漿、栓劑等的生產(chǎn)，它的摩擦系數(shù)極小，達(dá)到了晶體表面按“神奇”角度接觸時(shí)的驚人數(shù)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(xiàng)小發(fā)明。即當(dāng)機(jī)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(jīng)過一系列特殊處理，再涂上一層厚度僅為2納米的石墨。實(shí)驗(yàn)表明，這種石墨活性很強(qiáng)，丙三醇中的羥基就會(huì)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(yùn)動(dòng)。空氣本來會(huì)弄臟晶體涂層，但這一千擾現(xiàn)在已被丙三醇構(gòu)筑的盾牌消除了。這樣，“超滑”潤(rùn)滑油就不需要真空條件也能正常發(fā)揮作用了。

研究意義巨大

一些國(guó)際大型汽車公司近水樓臺(tái)先得月，早于2006年年底推出了經(jīng)“超滑”潤(rùn)滑油處理的發(fā)動(dòng)機(jī)。確切地說，得到改進(jìn)的是控制汽油閥和排氣閥的提桿，它們要和凸輪發(fā)生摩擦。這種發(fā)動(dòng)機(jī)和優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油配合，可以節(jié)約2％左右的燃料，這一數(shù)字對(duì)于如此細(xì)微的改動(dòng)來說已經(jīng)十分可觀。而且，“超滑”潤(rùn)滑油加工技術(shù)將推廣到發(fā)動(dòng)機(jī)的其他零部件上。比如活塞這一摩擦的“重災(zāi)區(qū)”，應(yīng)用了該技術(shù)后，可以再節(jié)約幾個(gè)百分點(diǎn)的燃料。除了燃料消費(fèi)的減少外，采用甘油單油酸酯(丙三醇的一種衍生物，在0℃時(shí)不凝結(jié))作為潤(rùn)滑油，能消除傳統(tǒng)礦物油中的添加劑(硫、磷等)對(duì)環(huán)境的污染。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究員、機(jī)械物理學(xué)家南娜吉·薩加認(rèn)為，在美國(guó)，由摩擦造成的開支(包括磨損、維修，能量損失等)每年超過國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的6％，也就是7940億美元。這個(gè)天文數(shù)字也被法國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)中心進(jìn)行的研究所證實(shí)：在法國(guó)，摩擦造成的開支竟高達(dá)法國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3％，也就是250億歐元，其中50％被用在設(shè)備維修上。減少這筆巨額開支并不是全部關(guān)鍵所在。法國(guó)國(guó)家環(huán)境和能源控制署認(rèn)為，法國(guó)每年生產(chǎn)超過24萬(wàn)噸油，若將礦物油換成丙三醇的一種衍生物。這個(gè)數(shù)字將會(huì)減少。而且，處理礦物廢渣代價(jià)昂貴，能被收集起來的廢渣只占全部廢渣的85％。

目前，全球醫(yī)療器材生產(chǎn)的領(lǐng)軍企業(yè)也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。如何應(yīng)用到醫(yī)療器材領(lǐng)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(dǎo)管，至少會(huì)減輕病人的痛苦。隨著研究的深入，“超滑”技術(shù)必將超出機(jī)械領(lǐng)域的范圍。有人假想，如果把這種“超滑”技術(shù)應(yīng)用到軍事上，一旦戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，將這種超潤(rùn)滑材料灑到敵方的公路上、鐵路的鐵軌上和飛機(jī)起飛的跑道上，使對(duì)方的戰(zhàn)車、運(yùn)兵車、火車無法運(yùn)行，軍用物資無法運(yùn)送；飛機(jī)不能起飛，失去制空權(quán)……這樣“超滑”技術(shù)的研究還真有點(diǎn)戰(zhàn)略意義呢。到時(shí)，我們的生活又會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢?