【中科院之聲】看!超滑,壓力越大越滑

  摩擦是生活中常見的現象,廣泛發生在任意接觸的滑動表面之間。摩擦與我們的生活非常密切,但我們對這種現象既愛又恨。

   

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  摩擦可以幫大忙,比如我們可以借助汽車輪胎與地面之間的摩擦讓汽車前行,借助刹車裝置的摩擦阻力讓汽車減速。但是,摩擦會做“壞事”,比如汽車內部機械部件的摩擦會導致零件磨損、性能下降、壽命減短,增加油耗和汙染物排放。

  實際上,我們更多的時候是希望能減小那些“不好”的摩擦,用超潤滑技術改善滑動界面的潤滑性能,減小摩擦磨損。

  經驗:物體越重,摩擦力更大? 

   

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  生活體驗告訴我們,載荷是影響摩擦的重要因素。通常,人們推動較重的物體,需要花費更多的力氣,這主要是由于推動較重的物體需要克服更大的滑動能壘。

  因而,直覺經驗認爲,物體越重,接觸界面的壓力越大,滑動産生的摩擦阻力越大,這體現爲摩擦阻力隨法向載荷的增加而增加的趨勢。因而,通常人們可能會認爲增加壓力使摩擦減小是不可能的,通過增加壓力實現超滑更是匪夷所思。

  反常:壓力越大,反而讓摩擦降低 

  壓力越大,反而讓摩擦降低?2018年,中科院蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室低維潤滑材料課題組,就曾提出“壓力誘導超滑”理論,指出了通過壓力誘導實現超滑的可行性。

  這種反常行爲,主要來自滑動勢能面的能壘崎岖的反轉,也就是在壓力下發生從褶皺到平坦、乃至反向褶皺的反轉,使在臨界平坦狀態下産生超滑。理論預言是可行的,但是受限于觀測方法,科學家們並沒有真正直觀的來展示出這一反常現象。

   

  图1 界面压力下石墨烯层间滑动势能面崎岖的反转及平坦行为(来自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 2554-2559(上圖爲顔色填充等能量面圖,顔色越紅表示相應位置的能量相對越高,越藍表示相應區域的能量相對較低。圖a,b,c,d表示隨著界面間距的減小,勢能面中的相對高度發生了反轉,在圖c出現理論上平坦的勢能面。) 

  有趣:原子力顯微鏡(AFM)圖像會反轉 

  原子力顯微鏡(AFM)圖像反轉指AFM圖像的明暗對比發生了反向變化,即明亮區域變暗,灰暗區域變明亮。

  AFM技術是研究材料表面物性的常用手段,特別是相關實驗中針尖-樣品的能量場、作用力、原子級圖像的反轉是AFM實驗微觀結構研究中的典型現象。根據這些顯微圖像的演化,材料的微觀結構、表面鍵和力等能夠直觀化觀察,方便不同目的的研究。

  然而,作爲一種有趣的物理現象,AFM圖像反轉的物理本質卻並不清楚,這可能阻礙了原子力顯微鏡技術的改進提高。事實上,在AFM實驗中,當探針在樣品表面滑移,獲取的原子級分辨圖像是對針尖-樣品相互作用響應的結果;同時,滑動針尖在樣品表面滑動受到的摩擦阻力也是針尖-樣品間相互作用的結果。

  很顯然,材料微觀結構的AFM圖像與其表面滑移性質密切相關,但如何關聯?

  驚喜:壓力誘導超滑與AFM圖像反轉的相互確認 

  科研人員從理論上證明,AFM探針在納米結構表面滑移,壓力下針尖-樣品的勢能面崎岖平坦産生的超滑行爲、針尖-樣品力圖像、AFM圖像的反轉在不同位點表現爲曲線的交叉行爲。通過對交點存在的充分必要性論證,科研人員指出勢能面崎岖、表面化學力和樣品AFM圖像反轉之間存在的內在關聯。

  图2 探针在样品表面滑动的相互作用能量、法向力和频率变化曲线中交点存在的充分必要性(来自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1498-1504 

   

  图3 壓力誘導超滑的图像化观测方法(来自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1498-1504 

  這能夠基于直觀AFM圖像演化,對壓力誘導超滑提供一種可視化的觀測方法,進而豐富了超滑的理論體系。同時這項成果也暗示出,作爲一種摩擦學行爲,壓力誘導超滑也能夠作爲一種技術手段用于材料細觀結構的檢測。這些關于材料微觀摩擦力/圖像反轉演化的研究,可能進一步擴展AFM技術的分析功能。


 

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