【中科院之声】看!超滑,压力越大越滑

  摩擦是生活中常见的现象,广泛发生在任意接触的滑动表面之间。摩擦与我们的生活非常密切,但我们对这种现象既爱又恨。

   

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  摩擦可以帮大忙,比如我们可以借助汽车轮胎与地面之间的摩擦让汽车前行,借助刹车装置的摩擦阻力让汽车减速。但是,摩擦会做“坏事”,比如汽车内部机械部件的摩擦会导致零件磨损、性能下降、寿命减短,增加油耗和污染物排放。

  实际上,我们更多的时候是希望能减小那些“不好”的摩擦,用超润滑技术改善滑动界面的润滑性能,减小摩擦磨损。

  经验:物体越重,摩擦力更大? 

   

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  生活体验告诉我们,载荷是影响摩擦的重要因素。通常,人们推动较重的物体,需要花费更多的力气,这主要是由于推动较重的物体需要克服更大的滑动能垒。

  因此,直觉经验认为,物体越重,接触界面的压力越大,滑动产生的摩擦阻力越大,这体现为摩擦阻力随法向载荷的增加而增加的趋势。因此,通常人们可能会认为增加压力使摩擦减小是不可能的,通过增加压力实现超滑更是匪夷所思。

  反常:压力越大,反而让摩擦降低 

  压力越大,反而让摩擦降低?2018年,中科院兰州化物所固体润滑国家重点实验室低维润滑材料课题组,就曾提出“压力诱导超滑”理论,指出了通过压力诱导实现超滑的可行性。

  这种反常行为,主要来自滑动势能面的能垒起伏的反转,也就是在压力下发生从褶皱到平坦、乃至反向褶皱的反转,使在临界平坦状态下产生超滑。理论预言是可行的,但是受限于观测方法,科学家们并没有真正直观的来展示出这一反常现象。

   

  图1 界面压力下石墨烯层间滑动势能面起伏的反转及平坦行为(来自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 2554-2559(上图为颜色填充等能量面图,颜色越红表示相应位置的能量相对越高,越蓝表示相应区域的能量相对较低。图a,b,c,d表示随着界面间距的减小,势能面中的相对高度发生了反转,在图c出现理论上平坦的势能面。) 

  有趣:原子力显微镜(AFM)图像会反转 

  原子力显微镜(AFM)图像反转指AFM图像的明暗对比发生了反向变化,即明亮区域变暗,灰暗区域变明亮。

  AFM技术是研究材料表面物性的常用手段,特别是相关实验中针尖-样品的能量场、作用力、原子级图像的反转是AFM实验微观结构研究中的典型现象。根据这些显微图像的演化,材料的微观结构、表面键和力等能够直观化观察,方便不同目的的研究。

  然而,作为一种有趣的物理现象,AFM图像反转的物理本质却并不清楚,这可能阻碍了原子力显微镜技术的改进提高。事实上,在AFM实验中,当探针在样品表面滑移,获取的原子级分辨图像是对针尖-样品相互作用响应的结果;同时,滑动针尖在样品表面滑动受到的摩擦阻力也是针尖-样品间相互作用的结果。

  很显然,材料微观结构的AFM图像与其表面滑移性质密切相关,但如何关联?

  惊喜:压力诱导超滑与AFM图像反转的相互确认 

  科研人员从理论上证明,AFM探针在纳米结构表面滑移,压力下针尖-样品的势能面起伏平坦产生的超滑行为、针尖-样品力图像、AFM图像的反转在不同位点表现为曲线的交叉行为。通过对交点存在的充分必要性论证,科研人员指出势能面起伏、表面化学力和样品AFM图像反转之间存在的内在关联。

  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 压力诱导超滑的图像化观测方法(来自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1498-1504 

  这能够基于直观AFM图像演化,对压力诱导超滑提供一种可视化的观测方法,进而丰富了超滑的理论体系。同时这项成果也暗示出,作为一种摩擦学行为,压力诱导超滑也能够作为一种技术手段用于材料细观结构的检测。这些关于材料微观摩擦力/图像反转演化的研究,可能进一步扩展AFM技术的分析功能。


 

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