世上是否存在“無摩擦”的冰？近日，北京大學物理學院量子材料科學中心江穎教授、王恩哥院士等組成的研究團隊給出了肯定答案。他們利用自主研發的國產qPlus型掃描探針顯微鏡，首次發現了二維冰在石墨烯表面上的超潤滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。“超潤滑常見於非公度的剛性晶體界面，因此，能在相對柔性的二維冰體系中發現超潤滑現象是非常出人意料的。”王恩哥表示，這一結果將推動納米流體工程和納米摩擦學的發展。相關成果日前發表在國際學術期刊《科學》上。

“在傳統觀念中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界裡，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，會產生許多有趣的現象。”江穎說，如在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時，就仿佛進入了一個意想不到的滑冰場。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現出了超乎尋常的無摩擦輸運特性，即超潤滑性。

江穎告訴記者，由於原子尺度受限體系中的水通常會形成類似於冰的結構，為此，研究團隊利用qPlus型掃描探針顯微鏡這一“神奇的眼睛”，直接看到了石墨烯和氮化硼表面上二維冰的原子結構。研究表明，這兩種表面上的二維冰均呈現出雙層自鎖的六方冰相。石墨烯表面的二維冰展現出兩個互成30度夾角的氫鍵網絡取向，且與石墨烯晶格之間沒有明顯的匹配關系（非公度）。盡管氮化硼的晶格與石墨烯非常相似，但硼-氮鍵的極性使得二維冰與氮化硼的晶格呈現很好的公度關系。

借助掃描探針顯微鏡針尖，研究人員能像操控積木一樣，精確移動單個原子或分子，甚至還能測量出原子級別的摩擦力。然而，在面對大面積且脆弱的二維冰時，想要實現穩定且精准的操控和摩擦力測量並非易事。研究人員通過反復實驗嘗試，制備出一種特殊形狀的針尖，可對二維冰進行非破壞式的橫向操縱。

“該研究為低維受限水輸運中結構超潤滑現象提供了首個確鑿的實驗証據，揭示了其不同於傳統超潤滑體系的微觀機理。這些發現告訴我們，納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而是可能形成類冰的超潤滑輸運。這不僅有助於我們理解受限體系中水的超快輸運，而且將進一步激勵新型超潤滑和納米流體系統的未來探索與實際應用。”江穎介紹，隨著技術的不斷進步，納米流體的超潤滑操縱技術將成為推動科技發展的重要力量。（記者晉浩天）

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