卡物理學bug？科學家在宏觀尺度上實現了近乎零摩擦

過去二十多年里，物理學界一直在爭論一件事：
摩擦力，是否真的可以在現實尺度上被消除。

這個問題并不新。早在2004年，研究人員就已經在實驗中發現，如果將兩片石墨的晶格結構以特定角度錯開，它們在相對滑動時產生的摩擦力可以下降到幾乎測量不到的程度。這種現象后來被稱為“結構超潤滑”。

從理論上說，它意味著一種極端狀態：
兩個固體表面在接觸、承載、相對運動的情況下，幾乎不產生能量損耗，也幾乎沒有磨損。

但問題在于，這個現象長期只存在于顯微尺度。

在納米或微米尺度上，原子排列可以被高度控制，界面足夠理想，結構超潤滑是可以穩定出現的。但一旦尺寸放大，現實世界的問題就開始介入：材料會發生彈性形變，界面不可避免存在缺陷，晶格取向無法保持統一。許多物理學家因此認為，結構超潤滑在宏觀尺度下并不具備可實現性。

這也是爭論持續至今的原因。

近日，清華大學鄭泉水團隊在《Physical Review Letters》上發表的一項研究，首次在肉眼可見的尺度上，穩定觀測到了結構超潤滑效應，并且在加載實際重量的情況下依然成立。

他們使用的材料并不是普通石墨，而是通過連續外延生長制備的單晶石墨薄膜。與常見多晶石墨不同，這種材料內部的晶粒尺寸可以達到毫米量級，晶格取向高度一致，極大減少了界面隨機性帶來的破壞。

在此基礎上，研究團隊通過精確控制薄膜的疊層方式，構建出了接近無缺陷的石墨界面，使原子在宏觀面積上保持連續接觸，同時又避免了晶格的周期性鎖定。

結果是，摩擦力幾乎消失。

實驗中，研究人員在廣泛的載荷范圍內測試了界面摩擦行為。即便隨著重量增加，界面被進一步壓緊，摩擦力依然保持在極低水平。在部分條件下，他們甚至觀測到一種反直覺的現象：隨著載荷增加，測得的有效摩擦阻力反而下降。

按照他們的估算，在極端情況下，即便在上表面施加相當于一頭成年大象重量的壓力，推動界面所需的水平力也只有極小的量級。

更重要的是，這種行為并非石墨體系的特例。研究還發現，在石墨與二硫化鉬的界面上，同樣可以實現穩定的宏觀結構超潤滑。這說明該效應并不依賴某一種特殊材料，而是可能存在于一類平整的層狀晶體體系中。

這項結果解決了一個長期存在的關鍵問題：
結構超潤滑是否只能作為實驗室中的理想化現象存在。

現在的答案是，它可以在真實尺度、真實載荷下出現。

當然，這并不意味著工程應用已經觸手可及。單晶石墨薄膜的制備成本、界面的穩定性、環境因素的干擾，仍然是必須面對的現實問題。但至少在物理層面，一個重要的限制已經被移除。

摩擦力并不是自然界中不可挑戰的底線。
它并非必然存在，只是我們長期生活在一個材料缺陷占主導的世界里。

當界面的結構足夠理想，尺度不再成為障礙，摩擦力可以被壓縮到接近零的水平。這一點，已經不再只是理論推演，而是被實驗驗證的事實。

論文信息
Minhao Han et al., Observation of robust macroscale structural superlubricity,
Physical Review Letters (2026)
arXiv: 2601.00190