作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 二氧化硅原子力显微镜针尖在原子级平面石墨表面单层石墨烯阶梯边缘上下滑动的示意图和原子级渲染
二氧化硅针尖模型代表实验研究中使用的硅原子力显微镜针尖顶端的天然氧化物
这个模型系统能够进行实验和计算研究，分离摩擦的化学和物理来源
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw0513 摩擦是一系列复杂过程的结果，这些过程共同抵抗相对运动
尽管如此复杂，摩擦通常用简单的唯象表达式来描述，该表达式通过摩擦系数将法向力和侧向力联系起来
定义的参数包含多个有时相互竞争的效果
为了更好地理解摩擦的起源，陈喆和化学工程、机械工程和材料研究部门的跨学科研究团队使用单层石墨烯阶梯边缘装置，研究了二氧化硅和石墨之间化学和形貌上明确的界面
研究小组确定了物理和化学过程对摩擦的不同贡献，并表明一个单一的摩擦系数可以分成两个对应于这些影响的项
该结果提供了对摩擦的化学和地形起源的洞察，作为通过利用竞争摩擦过程来调谐表面的途径
这些发现现在发表在《科学进展》上
摩擦发生在任何两个接触并以不同速度或方向运动的固体表面之间的界面上
因为摩擦可以对应于浪费的能量，科学家使用该参数来确定从生物到航空的所有运动系统的效率和使用寿命
摩擦力(Ff)通常与微尺度下施加的载荷(L)成线性比例，这种比例关系称为摩擦系数(COF)，由阿蒙顿定律表示
粘附力(Fa)在纳米尺度上变得很重要，从而引入了薄膜摩擦学分子机制的附加术语
虽然这个表达式在现象学上很简单，并且在几十年的实验中一直有价值，但是确定COF星等的实际机制非常复杂
物理学家此前曾提出，摩擦力纯粹是由滑动表面发生的相关化学过程造成的
但迄今为止，人们对观察到的摩擦力的相互作用还知之甚少，因为摩擦力通常只与表面磨损有关
因此，在目前的工作中，陈等人
使用化学和拓扑学上定义明确的界面来识别物理和化学过程对摩擦的贡献，而不考虑表面磨损，从而从根本上了解经常报告但知之甚少的COF(摩擦系数)的来源
多维模拟盒的前视图和侧视图
盒子在X和Y方向上具有周期性边界条件
虚线框表示原子被视为刚体(紫色)或固定不动(红色和蓝色)的区域
绿色箭头显示加载(向下移动)和滑动(横向移动)过程中尖端位移的路径
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科学家们使用了一个模型系统，该系统包含一个由硅制成的原子力显微镜(AFM)探针，称为二氧化硅尖端，以及一个具有单层石墨烯台阶边缘的石墨表面
石墨的基面提供了化学惰性和无缺陷的平坦表面
顶部暴露的石墨烯片与下面的层成比例，为摩擦测试提供了一个地形起伏最小的表面
该实验系统在石墨表面包含单层石墨烯台阶边缘，以提供高度变化为0
34 nm，跨越对应于一个化学键长度的距离，以形成原子台阶
研究小组使用反应分子动力学(MD)模拟对同一系统进行建模，在石墨中石墨烯的最顶层，靠近台阶边缘处重新创建二氧化硅尖端的顶点
在研究过程中，他们允许对原子级平坦表面上的二氧化硅表面的界面剪切进行计算和实验研究，以及对该步骤中化学或地形上明确定义的特征进行计算和实验研究
实验模型与计算模拟一致，以提供对摩擦的原子级起源的洞察
用二氧化硅原子力显微镜尖端在石墨烯台阶边缘测量的侧向力(实线)和高度分布(虚线)
施加到尖端的法向力是36
滑动速度为500纳米/秒
在上升方向上，正的侧向力意味着石墨烯台阶边缘抵抗尖端滑动
在向下的方向上，负的侧向力抵抗尖端滑动，而正的(或负趋势的向上偏离)力辅助尖端滑动
插图是石墨烯阶梯边缘的原子力显微镜地形图，在施加的法向力从7
3至36岁
7 nN(图
S3A)；扫描后图像显示摩擦测试区域没有损坏(白线)
台阶边缘的高度为0
34 nm，对应于一个石墨烯层的厚度和相邻石墨烯层之间的层间间距之和
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在用二氧化硅原子力显微镜测量石墨烯台阶边缘的过程中，研究小组获得了大约0
1，接近弹性变形试验下在各种表面上观察到的值
在基于原子力显微镜针尖装置的降压过程中，陈等
观察到更复杂的摩擦响应，其中摩擦在地形高度变化期间波动
观察到的变化并不仅仅对应于地形，但是研究小组不能区分系统中的化学和物理效应
为了探索这些起源，他们分析了摩擦力作为负载的函数，并通过实验研究和模拟观察了石墨平台和石墨烯台阶边缘处摩擦力的负载依赖性
结果证实，模拟为复杂摩擦行为的界面过程提供了原子视角
他们量化了系统中具有承载摩擦的COF，以隔离化学和物理贡献
研究小组利用在模拟中观察到的原子尺度信息来获得更多的见解
为了量化反应分子动力学模拟中摩擦的物理贡献，科学家们首先使用了石英尖端的剪切应变
然后，在实验过程中，他们利用二氧化硅尖端和石墨表面之间形成的氢键数量来量化化学贡献
当二氧化硅尖端滑过石墨基面时，他们没有观察到显著的物理或化学相互作用，这是他们用来解释COF计算(~0
003)在研究中
然而，在原子增强过程中，物理(应变)和化学(氢键)机制协同增强了抗滑动性，导致原子增强时的COF比石墨基面大100倍
科学家们对氢键相互作用引起的降压阻力记录了类似的观察结果
摩擦力与载荷的关系及相应的COF
(一)在各种施加的法向载荷下，用石英原子力显微镜测得的摩擦力
确定升压电阻、降压电阻和降压辅助力
平均值和标准差是根据多次测量的值计算的，其中每次测量涉及128次扫描的平均值
实验值的标准差等于或小于符号的大小
(二)从反应分子动力学模拟计算的摩擦力
请注意，对于降压情况，正辅助侧向力对应于负摩擦力
(三)COF由摩擦力的负荷相关性计算，摩擦力是(一)和(二)中最小二乘拟合线的斜率
(C)中的误差线表示计算斜率的不确定性
因为在降压电阻和降压辅助的情况下，摩擦力随着施加的负载的增加而减小，所以获得负COF
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通过这种方式，陈喆和他的同事一起使用了摩擦系数和分子动力学模拟，来提供对摩擦的物理和化学起源的洞察
在实验装置中，当由地形和互锁引起的应变以及剪切面上的化学键合可以忽略时，它们实现了超润滑
研究小组观察到，当步幅上升到0以上时，装置中有很大的摩擦
34纳米高的石墨烯台阶边缘由于界面结合而导致形貌和化学效应的综合物理效应
在实验中的降压运动过程中，负的地形变化产生了一个力来辅助滑动运动，而相对运动的表面之间的化学键产生了一个阻力
研究小组表明，平衡这两个部分可以决定实验系统中的摩擦力和COF最终是正还是负
反应分子动力学模拟显示摩擦的化学和物理效应的起源
(A和B)侧向力，(C和D)二氧化硅中原子的剪切应变，其中符号表示相对于滑动的方向，以及(E和F)石墨烯台阶边缘和二氧化硅之间形成的氢键的数量，通过模拟计算，作为(A，C和E)升压和(B，D和F)降压的尖端相对于石墨烯台阶边缘的质心位置的函数
施加到石英尖端的正常载荷为10 nN，滑动速度为10 m/s
用副y轴上的(A)和(B)中的虚线显示了用计数器表面的质心测量的地形高度变化
白色和灰色背景区域分别是下层和上层阶地
图中还显示了二氧化硅中原子剪切应变的快照，以及在三个位置桥接两个表面的氢键，用于升压和降压
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该结果解释了在原子级粗糙表面上实现超级润滑的困难——除非表面形貌特征是化学惰性的
总的来说，这些发现表明有可能用规定的地形特征和预先安排的化学群来调整COF
虽然这一概念不能立即改善摩擦的工业应用，但它提供了对摩擦的化学和地形起源的基本认识，因此对未来关于最小化摩擦界面阻力的科学建议具有重要的前景
陈等
预想这项工作将在应用物理学中打开可调摩擦的可能性
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