牛啊，这篇Nat. Mater.让你看见摩擦时界面变化

2023年10月10日下午7:07 • 顶刊解读

纳米机械装置的快速小型化对理解和控制纳米接触之间的原子摩擦提出了比以往更高的要求。先前的原子力显微镜(AFM)研究和大规模计算机模拟揭示了原子的“粘滑”摩擦行为，其特征是锯齿状的摩擦力变化，与衬底晶格的周期相对应。当原子力悬臂梁的弹性常数小于表面电势波纹的曲率时，发生的是原子的黏滑摩擦；否则，该场景可能会转化为一个超低摩擦状态，在该状态中，反作用力表现为几乎为零的连续方式。这种超低摩擦对提高各种机械设备的寿命和效率至关重要。

长期以来，纳米摩擦学领域一直无法直接观察滑动界面上发生了什么。要对扩散金属接触之间的原子摩擦有明确的理解，就需要实时了解接触的界面结构，不幸的是，这超出了大多数现有的实验方法的能力，包括基于AFM的技术（这是用于研究纳米/原子尺度摩擦的最广泛应用的实验方法）。可喜的是，原位透射电子显微镜（TEM）的最新进展为捕捉原子摩擦期间的界面结构开辟了新的视野。

近日，匹兹堡大学毛星原教授、王国锋教授和西北太平洋国家实验室王崇民研究员合作在Nature Materials上发表了最新研究成果Atomistic observation on diffusion-mediated friction between single-asperity contacts，结合了AFM和TEM原位手段来观测摩擦界面，为摩擦过程中界面的演化提供了新的理解。

在这里，作者原位高分辨TEM中放置了AFM针尖（表面是金），并用TEM中压电系统控制钨（W）针尖与Au表面摩擦，在摩擦过程中直接实时观测原子尺度的界面结构。作者发现了金属接触点在拉伸应力下的独特低摩擦行为，这种行为是由两个金属异质之间形成的松散填充界面层（IL）和摩擦表面之间的原子扩散促成的。而在压缩应力下，松散填充界面层在平衡距离上成为有序层，导致了低摩擦运动向耗散高摩擦运动的转变。这突显了界面结构在确定原子摩擦机理方面的关键作用。这一发现得到了分子动力学模拟的证实。

该工作揭示了金属之间低摩擦力的起源，这种摩擦超出了人们的普遍预期，这凸显了原子扩散在确定界面结构以及摩擦的原子机制方面的关键作用。

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图1. 原位TEM摩擦实验装置

图1展示了本研究原子摩擦的工作中建立的实验装置。W探针的尖端（即W单晶）由透射电镜支架上的压电系统驱动，以接触并滑动沉积在AFM悬臂上的Au表面上（图1a-c），精确控制了曲面的取向（图1d）。摩擦力是根据胡克定律计算的，即AFM悬臂梁的垂直偏转乘以弹簧常数。

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图2. 与无IL时的高摩擦相比，在低摩擦条件下，IL诱导了连续滑动

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图3. 基于相对距离的界面结构和摩擦行为的分子动力学模拟

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图4. 松散堆积的IL中原子扩散介导的低摩擦

文献信息

He, Y., She, D., Liu, Z. et al. Atomistic observation on diffusion-mediated friction between single-asperity contacts. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01091-3

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