挪威科技大学南希·巴兹尔丘克 无论好坏，摩擦是我们生活的重要组成部分
举个例子，摩擦力有助于我们汽车的离合器和制动器工作
然而，科学家很难准确描述它在不同尺度下是如何工作的
信用:彩盒 如果你甚至懒得去想摩擦力，你可以考虑搓搓手来暖手
但是摩擦是世界上的一个大问题
互相摩擦的部分会磨损
机器可能会消耗更多的能量
这也不是小事:大约23%的世界能源消耗是由于摩擦
这使得研究人员正在寻找方法，在纳米尺度上弄清楚摩擦实际上是如何工作的，这样他们就可以设计润滑剂和其他方法来减少摩擦
问题是，摩擦力很难用模型来描述
最广泛使用的纳米尺度摩擦数学模型之一最早是在1929年提出的，现在仍在使用，因为它非常普遍
但是当这个模型被用来观察更详细的情况时，它就没那么好用了
现在，来自挪威科技大学(NTNU)的两名研究人员对该模型进行了调整，提高了其描述石墨烯等层状材料在纳米尺度下摩擦工作趋势的能力
他们的结果发表在《自然通讯》上
原子凹凸不平的表面 在你能够理解研究人员做了什么之前，你首先必须理解研究人员是如何想象摩擦的
当停下你的车时，摩擦是一件好事
但是不必要的摩擦会导致零件过早磨损，给社会造成巨大损失
信用:彩盒 表面可能看起来很光滑，但是在显微镜下，表面明显有突起
因此，当研究人员想用数学模型来解释摩擦力时，他们会在计算中包含这个凹凸不平的表面
“当我们说摩擦时，人们可能会想到试图把一个盒子推过一个表面，”大卫·安德森博士说
D
在NTNU大学机械和工业工程系，他是这篇论文的第一作者
“但如果你想了解摩擦力来自哪里，它实际上来自原子之间的接触
" 摩擦力被描述为拉动尖端穿过这个凹凸不平的原子表面所需的力
这就是1929年首次发表的普朗特-汤姆林森摩擦模型的基本描述
该模型描述的一个关键特征是，当尖端被拉过崎岖不平的路面时，会发生一些事情:它会粘住，然后突然滑动
事实上，两个表面之间的这种粘滑行为甚至在宏观尺度上也是可见的——这是两个构造板块相互移动时在地质尺度上发生的事情
地震活跃带的人们经历了地震时板块的滑动
二维材料的难题 石墨烯作为润滑剂的添加剂已经使用了近两个世纪，但直到十年前，研究人员才开始详细研究它和其他类似的二维材料
石墨烯是一层只有一个原子厚的碳
它可能是相当滑的东西
安德森和他的合著者兼主管阿斯特里德·维恩说，当研究人员开始实验石墨烯层以及这如何影响表面之间的摩擦时，他们发现了一些奇怪的东西
这是NTNU研究人员如何描述纳米水平的摩擦
信用:安德森，D
，de Wijn，A
S
理解原子薄层材料的摩擦
国家通信11，420 (2020) 研究人员发现，摩擦取决于层数，研究人员发现了一种令人惊讶的方式:单层石墨烯的摩擦最高，随着层数的增加而降低
普朗特-汤姆林森模型没有预测到这一点
“实验人员所做的是将石墨烯和其他二维材料层层叠加，发现摩擦力随着层数的增加而减小
你不会想到的，”NTNU大学的副教授德维恩说
“这是奇怪的行为
" 石墨烯层的其他理论和实验工作提供了矛盾的发现
虽然这对学者来说可能令人沮丧，但这不仅仅是一个学术难题
想知道如何设计材料或润滑剂来减少磨损和摩擦的科学家和工程师需要模型来帮助他们为他们的工作打下基础
增加复杂性改进了模型 安德森和德·维恩决定查看一些不同的实验研究论文，这些论文描述了相互矛盾的发现，看看他们能否创建一个数学模型来帮助解释正在发生的事情
他们意识到，他们可以通过给百年之久的普朗特-汤姆林森摩擦模型增加一个额外的变量来解释矛盾的发现
虽然旧模型只是简单地观察移动一个点穿过一个表面所需要的力，但是当研究人员添加了一个允许分层材料变形的变量时，它在预测纳米尺度的摩擦力方面比旧模型要好得多
安德森说:“最后有十几篇实验论文，我们通过添加允许层状材料变形的成分，一口气解释完了。”
“我们找到了扩展模型的正确方法来解决这个难题
" 石墨烯和其他二维材料非常有用，但研究人员很难用数学模型来描述
信用:彩盒 石墨烯的实际应用 研究人员希望他们的模型能帮助其他研究人员，尤其是在石墨烯方面
“关于石墨烯及其工作原理有很多谜团，”德·维恩说
但她说，修正后的模型让研究人员能够更好地理解石墨烯薄片和其他类似材料中的摩擦
例如，她说，该模型是帮助工程师理解当这些层经受高负荷时，仅仅是原子厚度的薄片的极端扭曲和撕裂的第一步
德维恩和安德森在他们的论文中写道:“在实际情况下，这种极端的扭曲是常见的，会导致化学键断裂、撕裂、磨损和低摩擦条件的丧失。”
“这是第一步，提高了更好地理解磨损的可能性，以及基于理解的石墨烯在低摩擦技术中实际应用的更快发展
"
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