物理学はもう存在しないのか？中国の科学者が初めて「摩擦のない」氷を発見

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

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アイススケートの競技を観戦するとき、スケーターがなぜ氷の上をあんなに速く飛べるのか疑問に思ったことはありませんか?実際、これは氷の物理的特性と摩擦の変化に密接に関係しています。

スケーターの体重がスケートの細いブレードに集中すると、発生する巨大な圧力によって氷が局所的に溶け、スケートと接触すると固体の氷が部分的に液体の水に変化して、薄い水膜が形成されます。この水膜は潤滑剤として機能し、スケートと氷の表面の間の摩擦を大幅に軽減し、スケーターがスムーズに滑ることを可能にします。

氷が部分的に溶けるとスケート時の摩擦が減少する

（画像出典：AI生成）

スケート中は摩擦は小さいながらも存在し、動きを一時停止すると、スケーターは最終的に停止します。では、「摩擦のない」氷というものはあるのでしょうか?

ミクロの世界における水の摩擦

まずは水から始めましょう。マクロの世界では「摩擦のない」水は見つからないかもしれませんが、マクロの世界の水の輸送とは異なり、ミクロの世界では、水路のサイズが数ナノメートル、さらにはサブナノメートルと小さい場合、「超潤滑効果」など、多くの興味深い現象が発生します。

マクロの世界とミクロの世界の摩擦の違い

（画像出典：AI生成）

ナノスケールのチャネルでは、水が流れるときに摩擦が大幅に減少し、「超潤滑滑り」に似た現象が現れます。これは、水がこれらの狭い水路を非常に高速で通過できることを意味します。これは、水を推進するのにほとんど力は必要ありません。この現象は、カーボンナノチューブやその他のナノ構造において特に顕著です。

科学者たちは、異なる材料を使用してナノスケールのチャネルを作成すると、水輸送特性が大きく異なることを発見しました。例えば、グラフェンと類似の構造を持つ六方晶窒化ホウ素を使用してナノチャネルを作成すると、グラフェンチャネルの水透過性は窒化ホウ素の 10 ～ 100 倍高くなります。グラフェン チャネルの摩擦は窒化ホウ素の 1 パーセントになるでしょうか?理論的な予測によれば、2 つのシステム間の摩擦は 3 ～ 5 倍しか違いません。現実は本当に理論で予測された通りなのでしょうか?

水はどのようにして超潤滑性を実現するのでしょうか?

2024年6月14日、サイエンス誌は北京大学物理学院量子材料科学センターの江英教授と王恩閣院士からなる研究チームの研究成果を掲載した。国産のqPlus走査プローブ顕微鏡を用いて、グラフェン表面における2次元氷の超潤滑挙動を発見し、低次元の閉じ込め条件下での超高速水輸送特性の起源を解明した。

グラフェンと窒化ホウ素表面上の2次元氷構造

（画像出典：参考1）

二次元氷とは何ですか？超潤滑性とは何ですか?低次元制限とは何ですか?一つずつ説明していきましょう。

「低次元閉じ込め」とは、水分子がナノスケールまたはそれより小さい次元（2次元や1次元など）の幾何学的構造によって制限されることを意味します。この閉じ込めは通常、非常に薄いグラフェン材料の表面（2 次元）または非常に狭いナノチャネル（1 次元）内で発生します。幾何学的構造の制限により、水分子の動きは特定の寸法と方向に制限されます。三次元空間のように自由に移動することはできず、水は氷のような構造を示すことが多いです。

二次元氷とは、ナノスケールの二次元平面上で水分子によって形成される秩序立った構造を指します。ナノチャネルやグラフェンなどの平面材料に閉じ込められているため、水分子は三次元空間のように自由に移動できず、氷の構造に似たハニカム六角格子に配置されます。簡単に言えば、2次元の氷は薄くて柔らかい「氷の布」としてイメージできます。

超潤滑性とは、2 つの表面間の摩擦が極めて低く、ほぼゼロになる現象を指します。これは通常、ナノスケール、極めて滑らかな表面、特殊な界面構造などの特定の条件下で発生し、原子または分子間の相互作用力では摩擦のない滑りを実現するのに十分な抵抗を形成できません。

滑らかな表面を滑る氷のイラスト

（画像出典：AI生成）

つまり、ナノスケールでは、「氷布」がグラフェンの表面上を摩擦なしで滑ることができるのです。

微細な二次元氷の摩擦を測定するにはどうすればよいでしょうか?

江英氏の研究チームは国産のqPlus走査プローブ顕微鏡を使用し、グラフェンと窒化ホウ素の表面の2次元氷原子構造を直接観察した。どちらも二重層が絡み合った六角形の氷相を示し、表面と非常に弱いファンデルワールス相互作用を形成しました。

グラフェン表面 (G\I) と窒化ホウ素 (H/J) 上の最も安定した 2 次元水構造の上面図と側面図。

（画像出典：参考1）

同時に、摩擦を測定するためには、グラフェン表面上の2次元の氷を押す何かを見つける必要があります。しかし、広範囲にわたる脆弱な二次元氷に直面した場合、安定した正確な制御と摩擦測定を実現することは容易ではありません。彼らは、二次元氷を顕微鏡表面上で動かすために、特殊な走査型プローブ顕微鏡の先端を準備しました。

マクロの世界では、摩擦は表面積とは関係ありませんが、ミクロの世界では、実際の接触面積と分子間相互作用の影響により、摩擦は表面積に依存します。研究者らは、グラフェン表面では、2D氷の面積が増加するにつれて、単位面積あたりの摩擦が急速に減少し、最終的には1ピコニュートンを下回ることを発見した。これは、超潤滑性の理論的予測と一致している。

グラフェン表面上のより大きな二次元氷の静摩擦係数は 0.01 未満になることさえあり、その超潤滑性が立証されています。窒化ホウ素表面では、二次元氷の単位面積あたりの摩擦力は常に高い一定値を維持し、従来の摩擦挙動を示します。これらの実験結果は理論的なシミュレーションと非常に一致しています。

特殊な走査型プローブ顕微鏡の先端が動くときの、顕微鏡表面上の 2D 氷の模式図。

（画像出典：参考1）

2 次元氷はなぜグラフェン表面では超潤滑性を示すのに、窒化ホウ素表面では超潤滑性を示しないのでしょうか?研究者らは、2次元氷とそれが載っている基板を画像化することで、グラフェン表面上の2次元氷の超潤滑挙動が、水分子とグラフェン間の弱いファンデルワールス相互作用と、2次元氷とグラフェン格子間の不整合性から生じていることを発見した。

弱いファンデルワールス相互作用とは、それらの間の引力が弱いことを意味し、不整合とは、2 つの不一致なパズルのピースを完璧に組み合わせることができないのと同じように、2 つの異なる構造を完全に整列させることができないことを意味します。窒化ホウ素の格子はグラフェンの格子と非常に似ていますが、ホウ素-窒素結合の極性により、2 次元の氷/窒化ホウ素系では良好な整合性が得られます。 2 次元の氷は窒化ホウ素の格子と非常によく一致し、特定の構造に「固着」しているため、窒化ホウ素表面で超潤滑性を実現することは不可能です。

「スーパー潤滑」の大きな応用可能性

微細な水の「超潤滑」現象は、多くの分野で大きな応用可能性を示しています。

まず、マイクロ流体工学とナノテクノロジーでは、超潤滑性により流動抵抗が大幅に低減し、液体の転送効率が向上します。これは、ラボオンチップシステムや精密医療のための高度な薬物送達システムなど、効率的なマイクロ流体デバイスの開発にとって非常に重要であり、診断と治療の速度と精度を大幅に向上させることができます。

第二に、水とグラフェンの間の超潤滑特性を利用することで、将来の海水淡水化装置はより効率的で環境に優しい水資源利用を実現します。

海水がグラフェンナノチャネルを通過する際、水分子は妨げられることなく通過でき、塩分やその他の不純物はチャネルの外側で効果的に隔離されます。これにより、エネルギー消費量が大幅に削減されるだけでなく、廃水や廃棄物の発生も削減され、真にグリーンで持続可能な海水淡水化が実現します。この技術の応用により、世界的な水不足問題に革新的な解決策がもたらされるとともに、環境保護や資源保全にも貢献します。

水の超潤滑性は、材料科学やナノテクノロジーにおいて重要な応用の可能性を秘めています。将来的には、これらのアプリケーションが環境と人類に大きな利益をもたらすと信じられています。

参考文献:

1.Wu、Da、et al. 「原子分解能による二次元水輸送の構造的超潤滑性の調査」サイエンス384.6701（2024）：1254-1259。

2.Hummer、Gerhard、Jayendran C. Rasaiah、およびJerzy P. Noworyta。 「カーボンナノチューブの疎水性チャネルを通る水の伝導」自然414.6860（2001）：188-190。

3. Majumder、Mainak、他「カーボンナノチューブ内の流れの強化」ネイチャー438.7064（2005）：44-44。

4.謝、Quan、他「グラフェンナノ流体チャネルにおける高速水輸送」ネイチャーナノテクノロジー13.3（2018）：238-245。

5. Ramezani、Maziar、他「材料の超潤滑性：進歩、可能性、そして課題」マテリアル16.14（2023）：5145。