本刊记者  李 丽

　　摩擦无处不在。生活离不开摩擦，没有地面与脚和车轮的摩擦，人类将无法行走，汽车也只能停在原地；在工业生产中，机器的运转也同样需要摩擦。不仅在传统的工业领域，高精尖的电子类、生物器件也总会出现“摩擦”的身影，比如智能机器人抓取物品，摩擦的性能就关系到其是否能成功抓起。与此同时，科学家也关注人体关节摩擦、牙齿摩擦、皮肤摩擦、甚至手术过程中的医疗器械摩擦。后来，他们又从生物体和植物体得到启发，比如壁虎仿真研究。

一直以来，大自然中自然演化而形成的生物水基润滑体系、纳米制造领域中化学机械平坦化研究等方向吸引着刘宇宏作为科研工作者的所有好奇心和探索热情，研究工作从表/界面结构与特性出发，直至摩擦能量耗散的本质科学问题的阐释。她先后承担“973”子课题、国家自然科学基金等科研项目16项；在ACS Applied Materials & Interfaces、Langmuir等期刊发表论文70余篇（SCI收录60篇，SCI他引116次）；参编清华大学学术专著《界面科学与技术》和英文摩擦学百科全书，并获中国机械工业科学技术奖二等奖；曾荣获中国分析测试协会科学技术奖和中科院化学所青年科学奖。

再回清华园

　　刘宇宏是个地道的北京姑娘，从小生活在中关村一带。在这片我国科教智力和人才资源最为密集的区域，坐落着以北京大学、清华大学为代表的高等院校近41所，还有以中国科学院、中国工程院所属院所为代表的国家(市)科研院所206家，中关村也因此得名“中国的硅谷”。科技氛围浓郁、学术水平强劲，刘宇宏自小与陈景润等老一辈科学家为邻，耳濡目染，成长在一片科学研究的海洋中。

　　1996年，刘宇宏以优异的成绩顺利考入清华大学化学系。一个女孩子为什么钟爱理科？其实这与刘宇宏出生在一个科研世家不无关系，此外她男孩般的性格和思维也使她更擅长物理化学等学科。所以，读理科、搞科研也自然是情理之中的事情。

　　4年的青葱岁月转瞬即逝，带着对未知世界的好奇心，刘宇宏转赴中国科学院化学研究所，成为分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的一名直博生，师从白春礼院士和王琛研究员。也正是在读博士期间，刘宇宏开始接触了有关表/界面结构与特性方面的研究。

　　2005年，刘宇宏踏上飞往欧洲大陆的航班，落户比利时鲁汶大学化学系，任客座研究人员。时隔半年后，她回到了昔日熟悉的母校清华大学，在精密仪器与机械学系担任助理研究员。2012年，她转赴机械工程系摩擦学国家重点实验室，晋升为副研究员。

　　摩擦学国家重点实验室成立于1988年。在发展之初，实验室只是单一地在解决传统的机械问题。随着科技的蓬勃发展，其开始逐渐关注摩擦、磨损、润滑、表面工程、微纳制造、智能系统、微纳光电器件等前沿领域。而这也对科研人才的学科背景提出了更多元化的要求，不仅是机械工程，材料、物理、化学、生物等也都成为有效助力科研工作的背景方向。“实验室的科研者原来主体是机械工程背景，现在也会吸收物理、材料、化学、生物等专业背景的人才，”这种学科交叉的特色下，刘宇宏就是一名典型的多元化人才。

　　从化学到机械，不仅仅是专业方向的改变，更是思维方式的天壤跨越。化学是典型的理科专业，科研从一个“想法”开始，通过大量查阅文献，不断尝试以寻求新的突破；而机械是工科，一切都讲求从实际需求出发，首要思考的是所研成果对日后的产业是否有推进作用。刘宇宏坦言，这种思维的转变是有一定困难的。

　　谈及重回清华园，刘宇宏不禁感叹道，“角色从学生变成了老师，感觉是不同的。”如今参加工作已有10年的刘宇宏，回忆起过往的历程感慨颇多。还记得从刚进入清华大学工作时的“白手起家”，第一个项目只有5万元经费和1名研究生，到现在成长为摩擦学国家重点实验室副研究员、摩擦学研究所副所长，正是对科研的热爱让她才得以始终坚守。

解决表面粘附困扰

　　随着纳米器件制造技术的发展，纳机电系统即将凸显其领军地位，从而带领微机电系统向着更为微观的领域发展。然而，由于纳机电系统中器件尺寸进一步缩小，尺度效应愈发显现——在器件运行过程中，相互接触的部件很可能会由于表/界面粘附作用而吸附在一起，最终致使器件损坏。不光如此，运动器件表面的过度磨损也会导致器件失效，进而严重限制器件的使用寿命。因此，如何改善器件的表面粘附特性和摩擦性能已经成为纳米器件中的关键问题。

　　通常，硅基器件表面的粘附力主要由界面的毛细力、范德华力和静电力组成，只有深入分析界面的微观结构和化学组成与粘附特性和摩擦学性能之间的关系，建立相应的构性关系才能更好地解决硅基器件润滑问题。然而随着当今全球资源短缺和环境污染问题的日益突出，人们越来越关注到油基润滑带来的负面影响，希望能找到合适的水基润滑来替代它。与油基润滑相比，水基润滑具有资源广阔、环保无污染及成本低廉等优点，在降低摩擦磨损领域具有非常好的应用前景和巨大的发展潜力。为此，刘宇宏成功构筑了超疏水硅基界面并阐释界面行为与水基润滑特性间的相互；利用原子层沉积制备多种无机氧化物薄膜并研究其宏微观摩擦学特性；建立生物大分子超滑体系并阐释其化学作用机理。

　　在生物水基润滑体系中，糖及其复合物扮演了非常重要的角色，其除了具有免疫调节、抗肿瘤、控制代谢、细胞识别等功能，在不同的生物体系中还能起到关键的润滑作用。由此见得，深入研究糖及其复合物的表界面结构特性和润滑机理，不仅对于探索摩擦和润滑的本质具有重大的科学意义，而且对于开发和研制绿色环保的生物润滑剂也具有潜在的应用价值。

　　然而，就目前的研究情况来看，大多数研究都集中在对糖及其复合物摩擦学特性的表象研究，在微观领域的分子界面行为、物理化学作用机理等方面研究尚属空白，特别是对于植物粘液还处在初步探索阶段，距离了解其真正的润滑机理还有较大的距离。

　　于是，刘宇宏就针对这一研究空白，申请并主持了国家自然科学基金-优秀青年科学基金项目“纳米制造中的摩擦表/界面物理化学行为及控制”。她意在通过研究不同类型的糖及其复合物的表界面吸附结构、组装行为和特性，以及润滑过程中分子的状态等，解释其界面分子润滑机理，并建立可调控的生物介质润滑体系，进而探索研制具有良好生物相容性的新型绿色生物润滑剂。这种新型生物润滑剂将有望应用于生物体和自然界的水基润滑领域，以解决目前油基润滑的局限性和能源贫乏问题。

　　项目研究过程的创新之处在于从微观角度研究磷脂、糖类分子及其衍生物的吸附状态、排列结构和与界面间的相互作用机制，从分子层面上揭示其润滑机理，从而拓展界面分子吸附行为的研究范畴。“这对于丰富糖及其复合物摩擦润滑体系具有重要意义，同时也能为生物润滑介质的超滑机理提供理论和实验依据。”此外，项目对润滑过程中分子取向、排列构型及其结构演变与润滑特性的相互关系及调控的研究，将开辟实现生物介质超滑的新思路和新途径，为生物水基超滑体系的设计提供有效的方法和理论依据。

　　项目于2016年1月立项，目前进展顺利。据刘宇宏介绍，预期在2018年结题之际，能够揭示生物介质分子的吸附行为和组装结构以及润滑分子与摩擦界面间的相互作用机制，阐释生物润滑介质的超滑机理，并提出生物润滑体系设计新思路；其次，可以建立分子取向、排列和结构演变与宏/微观润滑特性等摩擦学性能间的相互关系，实现可调控的生物介质的水基润滑/超滑体系，为研发新型生物润滑介质提供参考依据。对于未来，刘宇宏表现得沉着冷静，因为在她看来，科研不是一朝一夕之事，需要踏实地投入与积累。

去除集成电路表面材料

　　如果说生物水基润滑是研究界面润滑摩擦的本质基础科学问题，那化学机械平坦化研究就是和工业界集成电路制造领域密切相关的应用领域研究。近年来，集成电路的持续高速发展引发人类社会的新变革，逐渐在国家安全、高端制造、网络通讯和人民生活等重要领域起到关键支撑作用。有数据统计，2013年全球电子信息产业总产值达4万亿美元，已成为世界各国经济发展与技术竞争的制高点。其中芯片制造领域的化学机械平坦化是整个集成电路制造的5大关键技术之一。然而，随着特征尺寸进入到20/14nm技术节点，化学机械抛光技术也从原有传统依靠经验的工艺性研究，进入到纳米尺度的超高精度制造基础研究领域。因此，这需针对界面原子分子的吸附行为和粘附特性及材料去除机制和原理进行创新性研究。

　　“随着集成电路制造的线宽不断减小，与铜互连相匹配的介电质薄膜的介电常数值将达到甚至低于2.0”，也就是说其极低的弹性模量仅为铜弹性模量的15～60分之一。如此一来，在表面平坦化加工时，机械应力就极易造成材料界面剥离和极细互连线的损伤，现有技术已无法在超低应力（＜0.01psi）条件下实现高效、大面积、均匀的材料去除。

　　因此，这需要研究新的高效、无损伤化学机械平坦化方法。“其关键科学问题在于如何分别量化机械和化学两者表面作用机制及两者耦合的材料去除机制，并通过化学手段调控两者达到平衡，实现超低下压力条件下材料的快速均匀去除，”刘宇宏娓娓道来。殊不知，机械和化学这两者作用机制都与表面化学物质吸附行为、颗粒运动和抛光垫的机械作用等密切相关，鉴于此，刘宇宏首先建立了无磨粒化学机械抛光液体；其次，创新性地提出利用阳极氧化铝模板法制备柔性纳米刷状结构并揭示其材料去除机理；最后定量描述化学机械平坦化过程中化学机械耦合机制，并绘制材料去除机制图。

　　科研总是一个问题接着又一个问题。针对20/14nm集成电路晶圆级三维集成制造，需要解决晶圆减薄所面临的跨尺度混杂材料物理化学性能的巨大差异、复杂界面上差异性减薄的损伤污染等科学问题，刘宇宏又申请并主持了国家重点基础研究发展计划（“973”计划）课题“异质微结构表面差异性同步去除与晶圆减薄新原理”。

　　“厚度为20μm及以下超薄芯片减薄加工所面临的损伤率高，以及电镀后表面铜去除要求同时满足超高速率、低缺陷和低碟形凹陷等技术挑战，”刘宇宏提出了纳米颗粒定向作用以实现混杂材料表面高效定向去除的思路，以探索20μm以下超薄晶圆减薄加工中应力集中与残余应力形成机制，表面缺陷、边缘效应和整体损伤的产生原因和控制方法，从而在分子层面上实现对差异性减薄设计；同时她还将探索表/界面微观缺陷的产生和扩展规律等。该项目目前尚在研究之中。

　　在职场上像男性一样搏击的同时，社会赋予女性更多的是家庭责任，因而身为一名女性科研者是极为艰难而值得尊敬的。当下，刘宇宏也是为数不多肯踏下心来做科研的人。她说，科研需要的是内心本源的驱动，而这种“本源”是来自对科研的真正热爱和对探索未知世界的好奇心，并且要能做到专心致志，持之以恒。科研上的困难对于刘宇宏来说从不成为困难，因为在她看来，科研本身就是探索未知的过程，而未知就一定伴随着不确定性和艰难困苦。未来，她仍然会在科研的道路上继续探寻下去……