鐘情“摩擦” 為國獻(xiàn)力
——記清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任田煜

□ 徐芳芳

古希臘哲學(xué)家亞里士多德在《動(dòng)物的歷史》一書中，對(duì)壁虎卓越的攀爬能力進(jìn)行了描述。這種既不用膠水，也沒有吸盤的生物，如何能夠?qū)崿F(xiàn)在各種墻壁上的飛快爬行？

清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任田煜在研究中發(fā)現(xiàn)，壁虎的剛毛不但可以產(chǎn)生“強(qiáng)黏附”，更具有“易脫附”的能力。他經(jīng)過10多年的深入研究，得到的研究成果不僅獲得了學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，在國防軍工以及工業(yè)、生活中也具有廣闊的應(yīng)用前景。

“在早期各類科幻影視作品中，人們就能看到蜘蛛俠和神奇的爬墻手套，這些都承載了人們能像壁虎那樣飛檐走壁的夢想。”田煜說，隨著相關(guān)研究的日益深入，人類離這個(gè)夢想的距離越來越近。

田煜表示，摩擦學(xué)的發(fā)展與國家的高端裝備制造息息相關(guān)，而在過去數(shù)十年中，中國的摩擦學(xué)研究發(fā)展迅速，人才逐漸匯聚，但與德國、日本等制造強(qiáng)國相比，摩擦學(xué)領(lǐng)域的科研投入還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。作為一名科研人，他希望自己的研究能與國家的發(fā)展和命運(yùn)緊密聯(lián)系，能為中國建設(shè)制造強(qiáng)國之路貢獻(xiàn)自己的一份力量。

神奇的剛毛

“摩擦力是在分子、原子量級(jí)的機(jī)械接觸中產(chǎn)生，常用的實(shí)驗(yàn)儀器很難直接觀測這么微觀的界面行為，只能從宏觀的或者相對(duì)微觀的實(shí)驗(yàn)去探索其規(guī)律?！苯忉尅澳Σ亮Α边@一抽象概念時(shí)，田煜這樣說道。

1998年，田煜在清華大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，3年半后，他又師從溫詩鑄院士于清華大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。至今，他與“摩擦”已經(jīng)結(jié)下21年的深厚緣分。

田煜的博士論文研究是利用電磁場來控制液體的流變行為。在外加一個(gè)電場或磁場環(huán)境后，能夠控制液體從一個(gè)比較稀的狀態(tài)變成一個(gè)特別稠的狀態(tài)。從而經(jīng)歷剪切時(shí)，摩擦力就可能從一個(gè)很小的阻力變成一個(gè)很大的阻力，這是一種主動(dòng)去控制摩擦和潤滑的研究。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一旦摩擦副材料和潤滑劑確定之后，剩下的就是發(fā)揮材料自身的性能，讓它自己去適應(yīng)各種工況和環(huán)境。然而，在許多現(xiàn)實(shí)環(huán)境下需要對(duì)摩擦和潤滑主動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，傳統(tǒng)的被動(dòng)式設(shè)計(jì)就不能滿足要求了。為了解決這一問題，田煜想到了壁虎。在摩擦學(xué)性能比較獨(dú)特的自然界生物中，壁虎的強(qiáng)黏附能力是一個(gè)典型代表，它能夠通過自己的動(dòng)作，在“摩擦”和“粘著”上實(shí)現(xiàn)很輕松自如的控制?！八淖ψ由?，沒有膠水，也沒有吸盤，但是卻能夠很好地實(shí)現(xiàn)在墻上爬行?！?/p>

在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校從事博士后研究的兩年，田煜正式開始了這方面的研究，探討壁虎黏脫附的機(jī)理，研究它如何控制摩擦力和黏著力?！爱?dāng)時(shí)其他研究組做了很多仿壁虎干黏附的表面，能夠黏附在各種墻上，有很強(qiáng)的黏著力。但是我們觀察壁虎，不僅很容易黏附在墻上，也要很容易脫下來，才能跑得飛快。除了強(qiáng)黏附，它還要易脫附?！?/p>

壁虎腳趾末端許多微納尺度的剛毛結(jié)構(gòu)是其黏附行為的關(guān)鍵。事實(shí)上，在物體表面結(jié)構(gòu)的特征尺寸減小到微米和納米量級(jí)后，表面間范德華力就起到越來越重要的作用。在前人的研究中，根據(jù)球/平面接觸的J K R模型可以預(yù)測剛毛與壁面間的黏附力作用，但不能解釋生物體剛毛的快速脫附運(yùn)動(dòng)行為。根據(jù)這個(gè)理論模型研制的微柱陣列仿生表面具有強(qiáng)黏附力，但無法實(shí)現(xiàn)從壁面快速脫附。這與壁虎等生物體可快速爬行相矛盾。而在自然界中，還有許多具有特殊摩擦學(xué)功能的生物，如螞蟻、蜜蜂、蒼蠅和蜘蛛等昆蟲也都具有很強(qiáng)的黏附和摩擦控制能力，這種能力也都來源于類似的微細(xì)剛毛結(jié)構(gòu)。因此，生物體剛毛強(qiáng)黏附且易脫附的機(jī)理已成為相關(guān)領(lǐng)域研究的一個(gè)關(guān)鍵問題。

與日本九州大學(xué)著名摩擦學(xué)家Joichi Sugimura在2017年世界摩擦學(xué)大會(huì)上合影

與常用的考慮表面力的球/平面黏著模型不同，田煜考慮到壁虎剛毛末端的微納尺度的薄板結(jié)構(gòu)，提出了同時(shí)考慮薄板結(jié)構(gòu)與壁面之間的摩擦力和黏著力的剝離模型，認(rèn)為剛毛接觸區(qū)域的范德華力作為法向載荷產(chǎn)生剛毛的橫向摩擦力，剝離區(qū)域的范德華力產(chǎn)生法向黏著力。而壁虎通過腳趾的宏觀卷入和卷出動(dòng)作可調(diào)節(jié)剛毛末端薄板結(jié)構(gòu)的剝離角度，得到的摩擦力和黏著力可改變3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，實(shí)現(xiàn)與壁面的強(qiáng)黏附和易脫附。

2006年12月5日，《美國國家科學(xué)院院刊》刊登了田煜作為第一作者發(fā)表的《壁虎粘附與脫附中的粘著力和摩擦力》的成果論文。該論文發(fā)表后，人們開始更多地關(guān)注剛毛仿生表面的強(qiáng)黏附、易脫附特性。國內(nèi)外學(xué)者評(píng)述該成果“對(duì)強(qiáng)黏附易脫附的仿生表面研制起到啟發(fā)和理論指導(dǎo)作用”，對(duì)剛毛黏/脫附物理機(jī)理的科學(xué)認(rèn)識(shí)可促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展；“壁虎剛毛快速黏/脫附機(jī)理”被列入麻省理工學(xué)院課程教學(xué)內(nèi)容；建立的微納結(jié)構(gòu)黏著與摩擦模型也被Science研究論文用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋。到2019年10月為止，該論文已被包括Science、PNAS、Adv.Mater.等在內(nèi)的國際學(xué)術(shù)期刊論文他引470余次。

基于這一生物體剛毛快速黏/脫附的機(jī)理，田煜研究組繼續(xù)提出了仿生剛毛表面與器件的黏/脫附性能設(shè)計(jì)、制造與控制方法，并制造了相關(guān)器件，通過運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)器件“強(qiáng)黏附、易脫附”的能力。制備的仿壁虎剛毛被Science綜述論文列為該領(lǐng)域研究的典范。仿生剛毛表面在國防和日常生活領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，由于范德華力在自然界中普遍存在，這一成果不但可用于大氣環(huán)境下的爬壁機(jī)器人、夾持器等，還可以拓展到空間環(huán)境的應(yīng)用，如宇航員手套、空間垃圾回收、空間駐留平臺(tái)維護(hù)機(jī)器人等。而真正要把這項(xiàng)技術(shù)用起來，還需要開展大量研究工作，并需要更多地和微納制造及自動(dòng)控制等領(lǐng)域的研究組開展合作。

電磁場控制黏度的“潤滑劑”

“生物體剛毛快速黏附與脫附的控制機(jī)理”研究是圍繞摩擦過程的固體接觸與黏著的基本行為和理論而開展的基礎(chǔ)研究，此外，田煜還對(duì)“潤滑”中的“流變”問題進(jìn)行了深入研究?！皾櫥笔菫榻鉀Q廣泛存在于生產(chǎn)生活中和各種摩擦運(yùn)動(dòng)界面的摩擦和磨損問題，而所謂“流變”就是液體材料受到剪切時(shí)，其表觀黏度往往隨著溫度、壓力、剪切速率發(fā)生變化，而液體的黏度是“潤滑”過程中液體產(chǎn)生法向承載的基礎(chǔ)。

作為受邀嘉賓參加清華大學(xué)1998屆校友畢業(yè)20周年紀(jì)念活動(dòng)高峰論壇

常見液體的黏度主要由分子間范德華力或者氫鍵等短程力作用決定，其作用強(qiáng)度主要取決于材料原子與分子自身的性質(zhì)，難以進(jìn)行外場在線調(diào)控。而電/磁流變液作為智能懸浮液材料，外加電/磁場可以極化其中的微納米顆粒，控制顆粒間的靜電力或磁力作用，以及顆粒在空間上的排列結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響懸浮液的宏觀流變性能。

基于電/磁流變液的智能結(jié)構(gòu)與器件可用于離合器、減振器等機(jī)械零部件，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，長期以來，對(duì)電/磁流變效應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用進(jìn)程，很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法得到合理解釋。

在田煜研究組的研究中，突破了傳統(tǒng)的剪切流變表征方法，系統(tǒng)研究了電/磁流變液的拉伸、壓縮與剪切力學(xué)行為。他們研制出了高于20kPa（4kV/mm電場）屈服強(qiáng)度的沸石/硅油系電流變液（遠(yuǎn)超傳統(tǒng)僅考慮顆粒間靜電力作用的極化模型的數(shù)kPa的理論預(yù)測值）。韓國仁荷大學(xué)Choi Hyoung-Jin教授認(rèn)為，這一電流變液和壓縮流得到的超強(qiáng)屈服應(yīng)力充分表明了傳統(tǒng)固/液界面極化電流變強(qiáng)度模型的局限性，而田煜研制出了當(dāng)時(shí)世界上強(qiáng)度最高的電流變液。

他還發(fā)現(xiàn)，壓縮流中的電流變液在很低的場強(qiáng)，如0.6kV/mm時(shí)就可以得到大于100k P a的等效剪切屈服強(qiáng)度，比剪切流的同場強(qiáng)和相近剪切速率條件下測試得到的小于1k P a的剪切屈服強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

后來，田煜還發(fā)現(xiàn)了電磁流變液在低剪切速率下的突然剪切增稠現(xiàn)象。在該現(xiàn)象機(jī)理的主導(dǎo)下，隨著外電磁場強(qiáng)度的升高，材料的剪切強(qiáng)度可突然降低一半以上，這個(gè)現(xiàn)象完全與人們的直覺相反，無法用傳統(tǒng)的極化模型解釋，而與電磁流變液的顆粒鏈的剪切結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。他還提出，傳統(tǒng)電/磁流變極化模型中考慮的顆粒間靜電力/磁力也起到為顆粒接觸施加載荷的作用，引起的顆粒間摩擦力在電/磁流變效應(yīng)中占有非常重要的地位。

田煜關(guān)于電磁流變機(jī)理的研究成果同樣受到了國內(nèi)外同行廣泛認(rèn)可與引用，發(fā)表論文已被S C I他引數(shù)百次；并于2008年獲得了高等學(xué)校優(yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

高性能摩擦潤滑與“四基”

機(jī)械表面/界面科學(xué)與技術(shù)對(duì)改善機(jī)械系統(tǒng)的工作效率，延長使用壽命、提高機(jī)械系統(tǒng)和裝備的可靠性，解決能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染和健康問題等有著重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。事實(shí)上無論是軍用還是民用的許多裝備出現(xiàn)故障，往往是在運(yùn)動(dòng)界面上出現(xiàn)問題，而這些都是摩擦學(xué)要解決的問題。

隨著我國航空航天、能源、運(yùn)輸及先進(jìn)電子制造業(yè)等的發(fā)展，傳統(tǒng)摩擦學(xué)很難滿足這些高性能機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制要求，現(xiàn)代機(jī)械表面/界面科學(xué)研究已深入到從原子和分子尺度的范德華力去揭示機(jī)械表面/界面的摩擦與黏著行為機(jī)理，并已取得大量成果，但它目前與宏觀機(jī)械系統(tǒng)行為的結(jié)合還不夠強(qiáng)。

田煜認(rèn)為，隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度的要求越來越高，表面/界面效應(yīng)在機(jī)械系統(tǒng)及裝備中的地位越來越突出。比如高精密、高速加工機(jī)床和微納電子加工裝備都需要納米級(jí)的定位精度和迅捷的運(yùn)動(dòng)速度以實(shí)現(xiàn)高精度下的高生產(chǎn)率。“比如線寬32nm及以下的步進(jìn)掃描光刻機(jī)工件臺(tái)的重復(fù)定位精度要求優(yōu)于3nm，對(duì)摩擦力的快速和精確控制提出了極高要求。”

盡管國家早已經(jīng)注意到研發(fā)核心高端基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)材料和工藝的重要性，但在過去的20年里，研究工作量投入仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這也是國內(nèi)的裝備與國外先進(jìn)裝備存在差距的重要原因?！耙粋€(gè)個(gè)小小的軸承、螺栓、密封圈，不僅看起來小，價(jià)值也不高，價(jià)錢也不貴，大家的重視程度不高，投入的精力也不夠。但它們卻是重要裝備的關(guān)鍵零部件，必不可少，其實(shí)際價(jià)值是其價(jià)格的幾十倍、幾百倍甚至更多，裝備的整體性能嚴(yán)重受到這些基礎(chǔ)零部件的摩擦學(xué)性能的限制?！?/p>

此外，飛機(jī)和高速列車等大型高速運(yùn)載裝備的超高能量密度剎車零部件極大影響了系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性。目前這些典型應(yīng)用中的關(guān)鍵摩擦功能零部件不少都受到國外大公司的壟斷和控制，我國制造業(yè)對(duì)高性能摩擦與潤滑主動(dòng)控制理論與技術(shù)、完全自主的高端基礎(chǔ)零部件、摩擦與潤滑材料有迫切需求。

由于固體摩擦是分子、原子尺度上產(chǎn)生的機(jī)械接觸，氣氛環(huán)境不同，摩擦系數(shù)就可能大大不同。“兩種特定的表面固體材料在大氣里面的摩擦和在干燥的氫氣環(huán)境里面的摩擦，只是改變了氣氛環(huán)境，摩擦系數(shù)可能變化兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，零點(diǎn)幾的摩擦系數(shù)變成了千分之幾。”田煜說，這也是摩擦研究難的地方，太容易受到各種條件的影響，如氣氛、速度、載荷等，國際上多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者都對(duì)表面和界面現(xiàn)象的復(fù)雜性有過深刻描述。所以為了解決我們國家的重大需求，還需要開展系統(tǒng)、廣泛、深入的摩擦學(xué)研究。

科研的歸宿

始建于1986年的清華大學(xué)摩擦學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，是中國機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)域和清華大學(xué)首批建成的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，承擔(dān)著發(fā)展學(xué)科基礎(chǔ)理論、解決重大工程問題的關(guān)鍵技術(shù)的使命。

摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室既是一個(gè)適于開展摩擦學(xué)理論與技術(shù)、表面界面科學(xué)與性能控制、生物摩擦學(xué)與生物機(jī)械等方面的高端科學(xué)研究平臺(tái)，也是一個(gè)培養(yǎng)和吸引高層次學(xué)術(shù)人才、開展國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流的基地。這里不僅有溫詩鑄、雷天覺、雒建斌等院士以及歷屆實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)和咨詢委員會(huì)的專家們的指導(dǎo)，也培養(yǎng)出了10多位長江學(xué)者、杰出青年和優(yōu)秀青年基金獲得者等杰出人才，以及300多位博士生、400多位碩士研究生，他們活躍在國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界。

低調(diào)、執(zhí)著于科研，這是許多同事和學(xué)生對(duì)田煜的評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)室的前輩老師們的支持幫助下，2019年，田煜正式擔(dān)任清華大學(xué)摩擦學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室主任。作為實(shí)驗(yàn)室首任主任、中國科學(xué)院院士溫詩鑄的弟子，這多少有些“傳承”與“接棒”的意味?！皩?shí)驗(yàn)室的重任落到70后和80后的身上了。實(shí)驗(yàn)室前三次評(píng)估都是優(yōu)秀，所以擔(dān)任這個(gè)職位的壓力還是挺大的?！?/p>

田煜認(rèn)為，自1986年創(chuàng)立以來，實(shí)驗(yàn)室不斷開辟在摩擦學(xué)科中的新的研究領(lǐng)域，自2000年以來，已經(jīng)在國內(nèi)率先開展了微納制造摩擦學(xué)研究、摩擦起源的探索、新型表面減阻理論等。在集成電路制造工藝和裝備技術(shù)、微納制造、機(jī)器人技術(shù)和高功率固體激光技術(shù)等方面取得一大批應(yīng)用性創(chuàng)新成果，為國家重大工程項(xiàng)目和國防建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。

2019年與課題組成員合影

近5年來，實(shí)驗(yàn)室又倡導(dǎo)和深化超滑機(jī)理、表面界面科學(xué)與技術(shù)、二維材料摩擦學(xué)、智能摩擦學(xué)等研究，在基金委“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃的規(guī)劃和實(shí)施、《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略》的制定以及《中國大百科全書·機(jī)械工程卷》（第三版）編撰工作中發(fā)揮了引領(lǐng)作用。

田煜認(rèn)為，中國的摩擦學(xué)科近年來發(fā)展很快。在一些領(lǐng)域，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國外研究機(jī)構(gòu)的反超，但總體上在產(chǎn)業(yè)界和企業(yè)的研發(fā)投入方面，與日本和歐美等制造業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有一定的差距。而這種差距會(huì)隨著國家對(duì)摩擦學(xué)研究投入的不斷加大而逐漸縮短，這些投入也吸引著更多的青年人才加入這一學(xué)科的研究隊(duì)伍中?！艾F(xiàn)在全國的摩擦學(xué)科研人員多了很多，10年前，開一個(gè)全國性的摩擦學(xué)大會(huì)，老中青一起大概也就是四五百人。但是現(xiàn)在，我們開一個(gè)摩擦學(xué)的青年學(xué)術(shù)會(huì)議，就有五六百人參加，這也反映了咱們國家確實(shí)在制造業(yè)上發(fā)展很快?！碧镬险f。

在田煜看來，清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作主要是圍繞摩擦學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究，為各類機(jī)械裝備的研發(fā)應(yīng)用提供理論的指導(dǎo)，或針對(duì)現(xiàn)有問題開展研究提出解決思路。隨著實(shí)驗(yàn)室在研究中不斷突破，摩擦學(xué)的理論也在不斷完善。“以前我們的摩擦學(xué)理論可能不能夠完全滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，現(xiàn)在我們希望把整個(gè)理論框架逐漸完善起來，對(duì)更多的工業(yè)應(yīng)用從基礎(chǔ)理論上給予指導(dǎo)，提供參考。”

從本科、博士至今，除了中間曾到國外短暫學(xué)研，田煜一直在清華大學(xué)成長，并獲得了多項(xiàng)研究成果。在他看來，清華大學(xué)的發(fā)展和國家的命運(yùn)一直聯(lián)系在一起，而他作為一名清華人，也必須將自己的教學(xué)科研與國家的發(fā)展和需求緊密聯(lián)系起來。他認(rèn)為，這也是作為一名科研人員的最好的歸宿。