随着设备微型化进程的发展，零部件原子尺度表面易产生界面黏着，粘滑效应和磨损等一系列摩擦学问题，对系统工作效率、可靠性和使用寿命造成致命伤害。揭示原子尺度表界面的摩擦学机理对提升金属零部件的摩擦学性能至关重要。遗憾的是，现有原子尺度摩擦学研究由于实验设备条件限制主要侧重于摩擦规律探索和理论模型的计算，缺乏对摩擦界面结构原子尺度实时观察实验数据的论证。
针对上述研究难题，我校教师与美国匹兹堡大学和西北太平洋国家实验室团队合作，将高分辨原位透射电子显微技术和原子力显微技术结合，原位观察摩擦过程中金属微凸体接触界面原子尺度结构变化，并实时监测摩擦力，取得了以下认识：
（1）原子扩散是介导原子尺度摩擦擦过程中异质界面（W/Au界面）结构变化主导机制之一。
（2）金属异质界面在拉应力状态下，界面原子排布松散，在接触应力为零或者压应力状态下界面原子呈有序排布。
（3）当金属异质界面原子排布松散时，摩擦力极低，界面间可连续滑动，原子扩散介导摩擦全过程；当界面原子有序排布时，界面摩擦 “粘滑效应”（摩擦力呈周期性波动）明显。
本研究以W（110）/Au（111）密排原子“面-面”接触为例，揭示了金属之间低摩擦力的来源，探究了原子扩散介导在摩擦界面结构变化的关键作用，实验结果得到分子动学模拟的论证，为原子尺度表界面摩擦学机理研究提供了新的实验参考和理论支撑。








图1 实验装置原理简图






图2与有序界面的高摩擦相比，在松散排布界面下的连续低摩擦滑动








图3分子动力学模拟的有序与松散界面结构的原子尺度摩擦学行为






图4松散结构排布界面中的原子扩散现象



上述研究成果发表在国际顶尖学术刊物《Nature Materials》上：Yang He？, Dingshun She？, Zhenyu Liu？, Xiang Wang？, Li Zhong, Chongmin Wang*, Guofeng Wang*, Scott X. Mao*. Atomistic observation on diffusion-mediated friction between single-asperity contacts. Nature Materials. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01091-3
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01091-3