摩擦是一系列復(fù)雜過(guò)程的結(jié)果，這些過(guò)程共同作用以抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)。盡管有這樣的復(fù)雜性，摩擦通常是用簡(jiǎn)單的現(xiàn)象學(xué)表達(dá)式來(lái)描述，這些表達(dá)式通過(guò)摩擦系數(shù)將法向力和側(cè)向力聯(lián)系起來(lái)。參數(shù)包含多種有時(shí)相互競(jìng)爭(zhēng)的效應(yīng)。

為了更好地理解摩擦的起源，Zhe Chen和化學(xué)工程、機(jī)械工程和材料研究部門(mén)的一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，使用單層石墨烯階梯邊緣裝置研究了二氧化硅和石墨之間在化學(xué)和拓?fù)渖隙x良好的界面，研究確定了物理和化學(xué)過(guò)程對(duì)摩擦的單獨(dú)貢獻(xiàn)。

并表明單個(gè)摩擦系數(shù)可以分為與這些影響相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)項(xiàng)。這些結(jié)果提供了對(duì)摩擦的化學(xué)和接觸結(jié)構(gòu)起源的洞察，作為利用相互競(jìng)爭(zhēng)的摩擦過(guò)程作為調(diào)整表面的途徑。其研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。摩擦發(fā)生在接觸的任何兩個(gè)固體表面之間交界處，并以不同的速度或方向移動(dòng)。由于摩擦可以對(duì)應(yīng)于浪費(fèi)的能量，科學(xué)家使用該參數(shù)來(lái)確定從生物到航空的所有移動(dòng)系統(tǒng)效率和使用壽命。摩擦力(Ff)通常在微尺度上與外加載荷(L)成線性比例，這種關(guān)系的比例(稱為摩擦系數(shù)(COF)用μ表示，并表示為阿蒙頓定律(Amonton‘s Law)。

粘附力(Fa)可以在納米尺度上變得重要，為薄膜中摩擦學(xué)的分子機(jī)制引入一個(gè)額外術(shù)語(yǔ)。雖然這個(gè)表達(dá)式在現(xiàn)象學(xué)上很簡(jiǎn)單，并且在實(shí)驗(yàn)中保持了幾十年，但確定摩擦系數(shù)大小的實(shí)際機(jī)制非常復(fù)雜。物理學(xué)家以前曾提出摩擦具有純粹的物理起源，相關(guān)的化學(xué)過(guò)程發(fā)生在滑動(dòng)表面上。但是到目前為止，人們對(duì)觀察到摩擦之間的相互作用了解得很少，因?yàn)槟Σ镣ǔＶ慌c表面磨損有關(guān)。因此，在本研究中，使用在化學(xué)和接觸結(jié)構(gòu)面上定義良好的界面，來(lái)確定物理和化學(xué)過(guò)程對(duì)摩擦的貢獻(xiàn)。

而不考慮表面磨損，從而獲得對(duì)經(jīng)常報(bào)道但理解較少的COF(摩擦系數(shù))來(lái)源的基本見(jiàn)解?？茖W(xué)家們使用模型系統(tǒng)包含一個(gè)由硅制成的原子力顯微鏡(AFM)探針，稱為二氧化硅尖端，以及具有單層石墨烯臺(tái)階邊緣的石墨表面，石墨的基面提供了化學(xué)惰性和無(wú)缺陷平面。頂部暴露的石墨烯薄片與底層成比例，為摩擦測(cè)試提供了最少的波紋表面。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含石墨表面上的單層石墨烯臺(tái)階邊緣，以提供在對(duì)應(yīng)于一個(gè)化學(xué)鍵長(zhǎng)度距離上高度變化為0.34 nm的明確形貌，以形成原子臺(tái)階。

研究使用反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬對(duì)相同的系統(tǒng)進(jìn)行了建模，在石墨中靠近臺(tái)階邊緣的石墨烯最頂層上重新創(chuàng)建了二氧化硅尖端頂點(diǎn)。在研究過(guò)程中，能讓對(duì)原子平面上二氧化硅表面的界面剪切進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，以及在步驟中在化學(xué)或地形上明確定義的特征上進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c計(jì)算模擬一致，提供了對(duì)摩擦原子水平起源的洞察。在用二氧化硅AFM尖端測(cè)量石墨烯臺(tái)階邊緣期間，研究小組獲得了約0.1的摩擦系數(shù)，接近彈性變形測(cè)試下在各種表面上觀察到的值。在基于AFM TIP設(shè)置的降級(jí)過(guò)程中，觀察到更復(fù)雜的摩擦響應(yīng)，其中摩擦在結(jié)構(gòu)表面高度變化過(guò)程中波動(dòng)。

觀察到的變化并不僅僅對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)表面，但研究無(wú)法區(qū)分系統(tǒng)中的化學(xué)和物理效應(yīng)。為了探索這些起源，研究人員分析了摩擦作為載荷的函數(shù)，并從實(shí)驗(yàn)研究和模擬中觀察到摩擦對(duì)石墨臺(tái)階和石墨烯臺(tái)階邊緣的載荷依賴性。結(jié)果證實(shí)，模擬為復(fù)雜摩擦行為的界面過(guò)程提供了原子級(jí)的洞察。系統(tǒng)中的摩擦系數(shù)與承載摩擦進(jìn)行量化，以分離化學(xué)和物理貢獻(xiàn)，研究小組使用模擬中觀察到原子尺度信息來(lái)獲得額外的洞察。為了量化反應(yīng)性MD模擬中對(duì)摩擦的物理貢獻(xiàn)，科學(xué)家們首先使用了二氧化硅尖端的剪切應(yīng)變。

然后用實(shí)驗(yàn)中二氧化硅尖端和石墨表面形成氫鍵的數(shù)量來(lái)量化化學(xué)貢獻(xiàn)。當(dāng)二氧化硅尖端滑過(guò)石墨基底平面時(shí)，沒(méi)有觀察到明顯的物理或化學(xué)相互作用，用這來(lái)解釋研究中計(jì)算的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)超潤(rùn)滑性(~0.003)。然而，在原子躍遷過(guò)程中，物理(應(yīng)變)和化學(xué)(氫鍵)機(jī)制協(xié)同增強(qiáng)了對(duì)滑動(dòng)的抵抗力，導(dǎo)致摩擦系數(shù)在原子躍遷時(shí)比在石墨基面時(shí)大100倍，科學(xué)家們對(duì)氫鍵相互作用產(chǎn)生的降壓阻力進(jìn)行了類(lèi)似觀測(cè)。通過(guò)這種方式，研究人員使用COFs和MD模擬，來(lái)深入了解摩擦的物理和化學(xué)根源。

當(dāng)表面和聯(lián)鎖引起的應(yīng)變以及剪切面上的化學(xué)鍵合可以忽略時(shí)，在實(shí)驗(yàn)裝置中獲得了超潤(rùn)滑性。觀察到在0.34納米高石墨烯臺(tái)階邊緣以上的提升過(guò)程中，由于界面結(jié)合，表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)效應(yīng)共同導(dǎo)致了物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)的降壓運(yùn)動(dòng)中，負(fù)表面變化產(chǎn)生了一種力來(lái)輔助滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而相反運(yùn)動(dòng)表面之間的化學(xué)鍵產(chǎn)生了一種阻力。研究表明，平衡這兩個(gè)部件可以決定摩擦和摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中最終是正還是負(fù)。

研究結(jié)果解釋了在原子粗糙表面實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑性的困難——除非表面特征是化學(xué)惰性的?？偠灾?，研究結(jié)果表明，利用指定的表面特征和預(yù)先排列的化學(xué)基團(tuán)來(lái)調(diào)整摩擦系數(shù)是可能的。雖然這一概念不能立即改善摩擦的工業(yè)應(yīng)用，但為摩擦的化學(xué)和結(jié)構(gòu)表面的成因提供了基本認(rèn)識(shí)，因此對(duì)未來(lái)在摩擦學(xué)界面最小化阻力方面的科學(xué)進(jìn)展具有重要前景，這項(xiàng)研究將為應(yīng)用物理學(xué)中可調(diào)諧摩擦打開(kāi)了可能性。

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參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw0513

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