摘要：由于技术局限，原子尺寸的摩擦研究相当困难，但现在研究人员已经从两个方面取得了进展。通过加速真实原子力显微镜并放慢虚拟原子力显微镜，研究团队首次实现原子尺寸的摩擦实验。

原子尺寸摩擦研究，来自Penn（宾夕法尼亚大学）和UC Merced（加利福尼亚大学默塞德分校）通过放慢实验并加速虚拟的方式以获得一个合适的速度。

图片来源：宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）

由于技术局限，原子尺寸的摩擦研究相当困难，但现在宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania和加利福尼亚大学默塞德分校（University of California, Merced）的研究人员已经从两个方面取得了进展。

通过加速真实原子力显微镜并放慢虚拟原子力显微镜，研究团队首次在相同的速度上实现了原子尺寸的摩擦实验。

该研究由宾夕法尼亚大学机械与应用科学学院机械工程与应用力学系系主任Robert Carpick教授及研究生Xin-Zhou Liu、加利福尼亚大学默塞德分校机械学院Ashlie Martini副教授和研究生Zhijiang Ye进行。前Martini研究团队成员Yalin Dong、即将加入Carpick团队的Philip Egberts对该研究亦有贡献。

相关研究结果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

滞滑摩擦（stick-slip friction）现象通常与宏观及原子尺度的滑动有关。两个暂时粘在一起的物体之间的原子接触点产生摩擦阻力，直至对这些接触点施加足够的弹性能量才能使这两个物体分开。接着这些接触点开始滑动。在原子尺度上，粘结点发生在沿滑动方向的每一组重复的原子上。

由于接触点相互掩盖，使得滞滑摩擦原子相互作用的研究非常困难。为了解决这一问题，摩擦学研究人员通常使用原子显微镜（atomic force microscope， AFM）探针——能够测量纳牛级力的超敏感装置——作为其中一个接触点。由于AFM针尖很像记录针，研究人员可以测量尖端拖过表面的摩擦力。同时通过模拟可以描述所有单个原子的动力学。

“一个有效的方法是结合实验与模拟。”Liu说，“但是，过去这样做的主要问题在于实验的滑动速度与模拟的滑动速度不能匹配。”

AFM实验的测量精度取决于由偏离振动引起的尖端分离，因此研究人员通常拖动尖端很慢，最快大约为每秒一微米。为了匹配模拟实验，尖端和表面的独立原子通过计算机模拟，虚拟尖端拖动与实际AFM尖端相同的距离。

然而，为了捕获独立原子的影响，问题出现了，模拟中的每一帧都必须以飞秒级计算。每秒百万级处理能力的计算机大约需要30年时间来模拟实际AFM实验每秒一微米的速度。

“这意味着，为了在更短的时间内获得相同的距离，我们需要将模拟的速度提高再提高。”Martini如是说。

随着虚拟针尖速度达到真实针尖速度的一百万倍时，研究人员决定让它们相遇。加州大学默塞德分校研究人员放慢了模拟的针尖速度，而宾夕法尼亚大学研究人员加快了现实实验速度。

传统马达无法以实验所需的纳米级精度移动针尖，针尖和悬臂（针尖安装在悬臂上）由压电片驱动。施加一定的电压，压电片上层与下层发生位移，使得悬臂和针尖穿过样品表面。

“由于我们原子摩擦研究所需的分辨率要求，商用AFM内置的扫描仪只能研究每秒几百纳米的情况。” Carpick说，“那是仪器固有的局限，一旦超过极限速度，将产生大的振荡信号。我们采用一个非常紧凑的剪切压电片，并使用其移动样品，而非用针尖移动样品，来解决这个问题。”

通过移动样品，即硅芯片上的金薄膜，而非移动由重得多的扫描仪驱动的针尖，宾夕法尼亚大学研究团队能够从根本上提高实验的整体速度。质量更轻、尺寸也更小的压电片可以更快速的移动，且不产生嘈杂的振荡。

“相对运动是一样的。”Liu说，“但这意味着我们能比以前要快1000倍的速度进行，同时保持所需的分辨率。由于之前从未有人记录过这么快速度的实验，我们不得不增加全新的电子器件用于捕捉数据。”

宾夕法尼亚大学团队加速系统的同时，加州大学默塞德分校团队放慢了速度。研究人员利用了粘在一起无运动针尖相对长的时间，积蓄足够能量使其向前滑动。其中部分能量由样品与针尖的相对运动提供，但是由热能导致的原子的随机振动，能够使滑动过渡加快或放慢。

Martini说，“认识这个使我们能够使用我们称之为'偶然事件系统'（infrequent event systems）'的仿真工具。这些工具用于使那些偶然事件更快发生，同时保持物理机制。”

采用“平行复制动力学”（parallel replica dynamics）技术，Martini团队根据这些偶然事件（要么一次模拟运行一千飞秒，要么每一飞秒运行一千次模拟）发生概率相同的事实。在尽可能多的处理器上运行不同模拟，一旦有一个虚拟尖端发生滑动，研究人员能够所有模拟停止，接着在那个点上开始同步启动所有模拟。

“同时并行处理能有效增加模拟时间。”Martini说，“增加了模拟时间，则可根据处理器数量以相应数量级降低模拟针尖的速度。”

通过匹配现实与模拟实验的针尖速度，研究人员能够证明宏观尺寸与原子滞滑摩擦之间的理论差异。速度通常不影响相遇的宏观物体的摩擦，但在原子尺度上，由热能引起的原子振动可能扮演重要角色。研究人员发现这些振动通过辅助之间向前滑动，且只朝一个点滑动来抵消摩擦。足够快的速度下，针尖不会停留足够长时间来获得来自于热能的“提高”。

“观察和理解实验中速度对摩擦的作用是重要的。”Liu说，“因为这更接近于我们目前及未来的工程应用，例如，微米和纳米机械装置。”

“目前，该研究开启了采用原子模拟中使用全原子视野可靠解释实验研究结果的多种可能性。这将最终对理解、控制及减少摩擦磨损的通用实际性见解保持乐观。”Carpick如是说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮