【中科院之聲】看！超滑，壓力越大越滑
摩擦是生活中常見的現(xiàn)象，廣泛發(fā)生在任意接觸的滑動(dòng)表面之間。摩擦與我們的生活非常密切，但我們對(duì)這種現(xiàn)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，借助剎車裝置的摩擦阻力讓汽車減速。但是，摩擦?xí)觥皦氖隆保热缙噧?nèi)部機(jī)械部件的摩擦?xí)?dǎo)致零件磨損、性能下降、壽命減短，增加油耗和污染物排放。
實(shí)際上，我們更多的時(shí)候是希望能減小那些“不好”的摩擦，用超潤(rùn)滑技術(shù)改善滑動(dòng)界面的潤(rùn)滑性能，減小摩擦磨損。
經(jīng)驗(yàn)：物體越重，摩擦力更大？
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生活體驗(yàn)告訴我們，載荷是影響摩擦的重要因素。通常，人們推動(dòng)較重的物體，需要花費(fèi)更多的力氣，這主要是由于推動(dòng)較重的物體需要克服更大的滑動(dòng)能壘。
因此，直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，物體越重，接觸界面的壓力越大，滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力越大，這體現(xiàn)為摩擦阻力隨法向載荷的增加而增加的趨勢(shì)。因此，通常人們可能會(huì)認(rèn)為增加壓力使摩擦減小是不可能的，通過(guò)增加壓力實(shí)現(xiàn)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(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低維潤(rùn)滑材料課題組，就曾提出“壓力誘導(dǎo)超滑”理論，指出了通過(guò)壓力誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超滑的可行性。
這種反常行為，主要來(lái)自滑動(dòng)勢(shì)能面的能壘起伏的反轉(zhuǎn)，也就是在壓力下發(fā)生從褶皺到平坦、乃至反向褶皺的反轉(zhuǎn)，使在臨界平坦?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生超滑。理論預(yù)言是可行的，但是受限于觀測(cè)方法，科學(xué)家們并沒(méi)有真正直觀的來(lái)展示出這一反常現(xiàn)象。
圖1 界面壓力下石墨烯層間滑動(dòng)勢(shì)能面起伏的反轉(zhuǎn)及平坦行為（來(lái)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(yīng)位置的能量相對(duì)越高，越藍(lán)表示相應(yīng)區(qū)域的能量相對(duì)較低。圖a,b,c,d表示隨著界面間距的減小，勢(shì)能面中的相對(duì)高度發(fā)生了反轉(zhuǎn)，在圖c出現(xiàn)理論上平坦的勢(shì)能面。）
有趣：原子力顯微鏡（AFM）圖像會(huì)反轉(zhuǎn)
原子力顯微鏡（AFM）圖像反轉(zhuǎn)指AFM圖像的明暗對(duì)比發(fā)生了反向變化，即明亮區(qū)域變暗，灰暗區(qū)域變明亮。
AFM技術(shù)是研究材料表面物性的常用手段，特別是相關(guān)實(shí)驗(yàn)中針尖-樣品的能量場(chǎng)、作用力、原子級(jí)圖像的反轉(zhuǎn)是AFM實(shí)驗(yàn)微觀結(jié)構(gòu)研究中的典型現(xiàn)象。根據(jù)這些顯微圖像的演化，材料的微觀結(jié)構(gòu)、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(xiàn)象，AFM圖像反轉(zhuǎn)的物理本質(zhì)卻并不清楚，這可能阻礙了原子力顯微鏡技術(shù)的改進(jìn)提高。事實(shí)上，在AFM實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)探針在樣品表面滑移，獲取的原子級(jí)分辨圖像是對(duì)針尖-樣品相互作用響應(yīng)的結(jié)果；同時(shí)，滑動(dòng)針尖在樣品表面滑動(dòng)受到的摩擦阻力也是針尖-樣品間相互作用的結(jié)果。
很顯然，材料微觀結(jié)構(gòu)的AFM圖像與其表面滑移性質(zhì)密切相關(guān)，但如何關(guān)聯(lián)？
驚喜：壓力誘導(dǎo)超滑與AFM圖像反轉(zhuǎn)的相互確認(rèn)
科研人員從理論上證明，AFM探針在納米結(jié)構(gòu)表面滑移，壓力下針尖-樣品的勢(shì)能面起伏平坦產(chǎn)生的超滑行為、針尖-樣品力圖像、AFM圖像的反轉(zhuǎn)在不同位點(diǎn)表現(xiàn)為曲線的交叉行為。通過(guò)對(duì)交點(diǎn)存在的充分必要性論證，科研人員指出勢(shì)能面起伏、表面化學(xué)力和樣品AFM圖像反轉(zhuǎn)之間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
圖2 探針在樣品表面滑動(dòng)的相互作用能量、法向力和頻率變化曲線中交點(diǎn)存在的充分必要性（來(lái)自Sun et al. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1498-1504）
圖3 壓力誘導(dǎo)超滑的圖像化觀測(cè)方法（來(lái)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(duì)壓力誘導(dǎo)超滑提供一種可視化的觀測(cè)方法，進(jìn)而豐富了超滑的理論體系。同時(shí)這項(xiàng)成果也暗示出，作為一種摩擦學(xué)行為，壓力誘導(dǎo)超滑也能夠作為一種技術(shù)手段用于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。這些關(guān)于材料微觀摩擦力/圖像反轉(zhuǎn)演化的研究，可能進(jìn)一步擴(kuò)展AFM技術(shù)的分析功能。
