看！超滑，壓力越大越滑

　　來源：中科院之聲

　　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。

　　摩擦可以幫大忙，比如我們可以藉助汽車輪胎與地面之間的摩擦讓汽車前行，藉助剎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，增加油耗和污染物排放。

　　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？

　　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，這主要是由於推動較重的物體需要克服更大的滑動能壘。

　　因此，直覺經驗認為，物體越重，接觸界面的壓力越大，滑動產生的摩擦阻力越大，這體現為摩擦阻力隨法向載荷的增加而增加的趨勢。因此，通常人們可能會認為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。

　　這種反常行為，主要來自滑動勢能面的能壘起伏的反轉，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產生超滑。理論預言是可行的，但是受限於觀測方法，科學家們並沒有真正直觀的來展示出這一反常現象。

圖1 界面壓力下石墨烯層間滑動勢能面起伏的反轉及平坦行為（來自Sun et al。 J。 Phys。 Chem。 Lett。 2018， 9， 2554-2559）（上圖為顏色填充等能量面圖，顏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，作為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-樣品的勢能面起伏平坦產生的超滑行為、針尖-樣品力圖像、AFM圖像的反轉在不同位點表現為曲線的交叉行為。通過對交點存在的充分必要性論證，科研人員指出勢能面起伏、表面化學力和樣品AFM圖像反轉之間存在的內在關聯。

圖2 探針在樣品表面滑動的相互作用能量、法向力和頻率變化曲線中交點存在的充分必要性（來自Sun et al。 J。 Phys。 Chem。 Lett。 2019， 10， 1498-1504）

圖3 壓力誘導超滑的圖像化觀測方法（來自Sun et al。 J。 Phys。 Chem。 Lett。 2019， 10， 1498-1504）

　　這能夠基於直觀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，作為一種摩擦學行為，壓力誘導超滑也能夠作為一種技術手段用於材料細觀結構的檢測。這些關於材料微觀摩擦力/圖像反轉演化的研究，可能進一步擴展AFM技術的分析功能。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！