引言

從《三體》的“水滴”說起

《神奇的表面》

如果你讀過劉慈欣的《三體》，一定對那個表面絕對光滑的“水滴”探測器印象深刻。這個由強相互作用材料構成的探測器，表面溫度接近絕對零度，分子熱運動幾乎停止，光滑到沒有任何摩擦。它不僅是三體文明的科技象征，更是人類對“零摩擦”世界的終極想象。

那么，現實中的我們，離這種“零摩擦”的世界還有多遠？今天，我們就從《三體》中的“水滴”出發，聊聊科學家們如何在現實中追逐這個看似不可能的夢想。

01

科幻中的零摩擦：

從“水滴”到現實

《神奇的表面》

在《三體》中，三體文明使用的“水滴”探測器的表面光滑到極致，摩擦為零，幾乎無法被破壞。這種探測器使用強相互作用材料構成，構成整個探測器的原子被強相互作用力錨定，分子熱運動幾乎完全停止，使得水滴的表面溫度達到了絕對零度。此外，強相互作用力下的原子排列得非常整齊，造就了這種探測器的絕對光滑，表面達到了零摩擦的狀態。這種零摩擦的表面在科幻世界中象征著極致的技術進步，但在現實中，我們離這種技術還有多遠？

其實，早在1983年，科學家們就預測了兩個原子級光滑表面之間可能存在零摩擦的現象。而到了1990年，日本科學家平野元久首次提出了“超潤滑”（superlubricity）的概念，隨后在實驗中觀察到了摩擦系數低至0.001的超低摩擦現象。從此，超潤滑技術從科幻走進了實驗室。

《三體》小說中表面絕對光滑的“水滴”探測器

02

超潤滑時代：

從實驗室到應用

《神奇的表面》

超潤滑不僅僅是一個科學概念，它已經開始走進我們的生活。想象一下，如果汽車的發動機摩擦系數降低18%，每年可以節省5400億元人民幣的燃油開支，并減少2.9億噸的二氧化碳排放。這不僅僅是省錢，更是為地球減負。

2013年，中國科學家魏飛團隊首次在大氣環境下觀察到了厘米級碳納米管層間的超潤滑現象，所實現的超潤滑尺度比既往報道結果的最高值高出3 個數量級，同時所得到的摩擦剪切強度比既往報道結果的最低值降低了4 個數量級。2019 年7 月，北京星際榮耀科技有限責任公司設計研制的“雙曲線一號”運載火箭攜帶BP-1B 試驗衛星升空，該試驗衛星上攜帶了由蘭州空間技術物理研究所使用超潤滑固體薄膜制備的新型宏觀尺寸零部件，通過了國際上首次超潤滑薄膜的空間飛行驗證。超潤滑技術在硬盤讀寫、太空探測、精密制造等領域都有著重要作用，也為人類埋下了下一次超潤滑技術革新的種子。超潤滑技術正在從實驗室走向太空、硬盤、精密制造等領域，成為下一次技術革新的關鍵。

納米結構超潤滑模型

03

酸奶與超潤滑：

偶然中的科學突破

《神奇的表面》

你可能會問，超潤滑和酸奶有什么關系？這聽起來像是兩個完全不相關的東西，但科學往往就在這種看似無關的偶然中發現突破。

中國科學院院士雒建斌團隊的張晨輝教授提出了流體效應、水合效應和雙電層效應共同作用的超滑機制，而這些機制源于團隊中一位博士生的偶然發現。這位博士生出于好奇，測試了晚餐中一瓶酸奶的摩擦系數，發現一段時間后摩擦系數降到了0.003，他針對這一現象攻關了幾個月，但未能找到實驗結果中的規律。在排查實驗儀器的安裝誤差后，他發現酸奶并未達到超滑的標準。不過他們還是將酸奶中的成分進行了分析研究，發現其中的乳酸起到了關鍵作用。進一步測試各種酸的摩擦系數發現，磷酸溶液能達到摩擦系數0.005 以下的超滑狀態。基于此，他們提出了“氫鍵網絡”模型來解釋這一現象，但該模型并不準確，他們經過重新設計實驗，通過增強表面間的水合力和雙電層力實現了界面超潤滑。

酸奶

科學就是這樣，往往在不經意間打開新世界的大門。一旦放棄了就意味著可能與成功擦肩而過，也正是不輕言放棄的探索精神，使得人類將認知的觸角伸向了一個又一個未知領域。

04

未來的零摩擦世界：

我們離“水滴”還有多遠？

《神奇的表面》

雖然我們還沒有完全實現“零摩擦”，但科學家們已經在超潤滑領域取得了巨大的進展。從原子級的光滑表面到厘米級的碳納米管，從實驗室到太空，超潤滑技術正在一步步改變我們的生活。

未來，隨著超潤滑技術的進一步發展，我們可能會看到更多令人驚嘆的應用：無磨損的機器、超高效的能源系統，甚至可能實現科幻小說中的“零摩擦”世界。

《神奇的表面》

如果你對表面科學感興趣，推薦你閱讀《神奇的表面》這本書。書中詳細介紹了從荷葉的超疏水表面到豬籠草的潤滑液體，再到超潤滑技術的科學原理和應用。書中不僅有豐富的科學知識，還通過生動的案例和實驗，帶你領略表面科學的奇妙世界。

神奇的表面

沈一洲 主編

北京 : 科學出版社, 2025. 3

ISBN 978-7-03-080523-2

責任編輯：李涪汁 曾佳佳

本書系統地介紹了當今世界上那些具有特殊功能的表面，它們有些神秘莫測、不可思議，有些又隨處可見。通過對超疏水、超潤滑、防污漬、耐腐蝕、耐輻射、耐磨、自修復、隔熱、防冰、電磁吸收、吸聲、光學偽裝、抗菌/ 殺菌、止血等功能性表面進行介紹，能夠增強人們對已有“表面”的理解，同時也希望在全人類的努力下，未來能夠發現與研制更多利于人類發展的“表面”。

結語

科技爆炸的時代，未來已來

《神奇的表面》

我們正處在一個科技爆炸的時代，從荷葉到豬籠草，從酸奶到超潤滑，科學家們正在不斷突破自然的極限，探索未知的領域。或許有一天，我們真的能實現“零摩擦”的世界，而這一切，都源于人類永不停止的探索精神。

所以，下次當你喝酸奶的時候，不妨想想：這瓶酸奶，或許正隱藏著下一個改變世界的科學突破。

（本文編輯：劉四旦）

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