匹兹堡大学开展新研究 首次使原子层面摩擦可视化

对于带有机械部件的机器来说，摩擦不可避免。这是影响设备运行的主要因素，能够缩短所有机械的寿命，比如自行车、汽车、飞机和装配线。

（图片来源：匹兹堡大学斯旺森工程学院）

据外媒报道，匹兹堡大学（University of Pittsburgh）负责的一项新研究实时揭示了单个钨表面微凸体或粗糙边缘的原子层面摩擦，并首次使用电子显微镜观测原子的运动。这项工作由该校斯旺森工程学院（Swanson School of Engineering）的两个实验室完成。

该校机械工程与材料科学教授Guofeng Wang表示：“到目前为止，还没人实际看到过具有明确界面的原子分解摩擦过程，所以摩擦机制和界面之间的关系尚未完全明了。在这项研究中，能够清晰地看到界面原子的滑动路径，以及界面上的动态应变和应力演化。以前只有通过模拟才能看到这些情况。”

研究人员表示，对于带有机械部件的设备来说，摩擦和磨损不利于功能，能够缩短使用寿命。在这项研究中，通过高分辨率透射电子显微镜探讨反向运动（通过压电致动器驱动）中的纳米接触，可以实时揭示单个钨表面微凸体的原子层面摩擦。通过分子动力学模拟，能够深入了解界面原子的滑动路径和界面动态应变/应力演化。研究人员观察到独立的粘滑行为和应变能积累、耗散的异步过程，以及界面原子的非均匀运动。通过这种方法，可以研究原位原子摩擦现象，了解原子层面上的摩擦现象。

在斯旺森学院，Wang的团队与Scott X. Mao教授（现已退休）的研究团队合作，首次使原子层面摩擦状况可视化。借助于高分辨率透射电子显微镜，Mao的团队可以实际观察到，当两个表面接触并移动时原子在表面上的运动。然后，Wang的团队通过计算机模拟来验证微观可视化内容，进一步了解发挥作用的因素。

这项研究集中在钨原子上，因其对显微镜的热阻很高。总的来说，该方法可用于了解任何材料的摩擦和磨损状态。

Guofeng Wang表示：“我们发现，无论表面多么光滑和干净，在原子层面上仍然会发生摩擦，这是完全不可避免的。然而，这些知识有助于研发出更好的润滑油和材料，以尽可能减少摩擦和磨损，延长机械系统的寿命。”