麻省理工学院（MIT）物理学家已经设计出纳米尺度摩擦的试验方法。他们直接研究了位于两个表面的界面处的独立原子，以及通过调整表面间的摩擦来改变其排列。他们改变了其中一个表面上的原子间距，发现了在某一个点上摩擦消失了。

 

新技术：调节两表面间摩擦，以致某一点上摩擦消失。图片来源：Christine Daniloff/MIT

 

两个表面相对运动无时无刻都发生摩擦。即使是血液中蛋白质的流动都产生或多或少的摩擦。然而，几乎没有摩擦消失的情况，这种现象称之为“超滑”。在此，表面只是相互滑过，而根本没有阻力。

MIT物理学Lester Wolfe 教授Vladan Vuletic宣称调整摩擦有助于建造单个分子部件组成的纳米机器（如微型机器人）。他补充说相比于更大尺度上，摩擦在纳米尺度上可能更高，或者换句话说， 可能以更快的速度在纳米马达上产生磨损。

“理解摩擦并对其进行控制需要付出巨大的努力，因为这是纳米机器的限制因素之一。可是不管在什么样的尺度上，实际控制摩擦方面几乎都未取得什么进展。”Vuletic说，“我们的系统展示的新事物，是原子尺度上的第一次，可以看到从摩擦到超润滑的转变。”

相关研究结果发表于《自然》（Science）期刊上，作者除Vuletic之外，还包括研究生Alexei Bylinskii、Dorian Gangloff。

通过设计两个表面，其中一个为光学晶格，另一个为离子晶体，并使其相互接触，来建立纳米尺度摩擦。

光学晶格由两束相反方向的激光产生，其共同组成一维正弦图案。光学晶格就像装鸡蛋的纸箱子，谷表示最低电位，峰表示最高电位。当原子穿过这样的电场时被吸引至最低电位（谷）的位置。

离子晶体是Vuletic创造的一种带电原子网格，用以分析原子对原子的摩擦效应。研究人员利用光电离中性镱原子或对其充电，使其从微型加热炉上升起。接着被更多的激光冷却到一个接近于绝对零度的温度。

在非常接近的金属表面施加电压有可能限域带电原子。施加正电压，原子在库伦力作用下开始相互排斥。这种排斥使原子间相互保持一定的距离，从而形成类晶格表面。MIT物理学家采用相同的作用力来限域原子，推拉离子晶体穿过晶格，并挤压离子晶体，其运动类似于手风琴，从而改变原子间距。

他们观察到，当离子晶体上的原子间距等于光学晶格间距时，两表面间的摩擦达到最大，类似于两个互补的乐高块。

结果发现，当每个原子占据光学晶格的一个谷的时候，如果整体离子晶体穿过光学晶格，最初的原子往往倾向于附着在晶格谷底。这是由于它们倾向于更低电势所致，具体原因是使原子相互排斥的库仑力。

然而，当施加一定的力，离子晶体突然滑到，随原子共同移动至下一个谷。

“就像是地震一样。”Vuletic说，“施加力突然就释放出毁灭性的能量。”

为了研究原子排列的影响，研究团队继续拉伸和挤压离子晶体。他们发现，如果原子间距与光学晶格不匹配的话，两表面间的摩擦消失了。

在这种情况下，晶体不再倾向于粘附，而是突然滑倒，并继续平稳的移动穿过光学晶格，类似于平面上的caterpillar运动。

举个例子，安排某些原子处于谷的位置，而某些原子处于峰的位置，其他原子处在峰与谷之间，当离子晶体穿过光学晶格中时，从峰上移动下来的原子可能对从谷底移动上来的原子提供了有点压力，这可能有助于拉动另一个原子，如此等等。

“我们能做的就是调整原子间距，要么与光学晶格最大摩擦匹配，要么使其失配从而没有摩擦。”Vuletic如是说。

Gangloff补充说，这种方法可用于其他领域，例如控制蛋白质、分子、以及其他生物部件。

“生物学领域存在许多相互接触的不同分子和原子，像生物分子马达一样滑动，产生摩擦或缺乏摩擦。”Gangloff说，“所以直觉认为排列原子从而使其摩擦最小化或最大化有可能被应用。”

德国弗莱堡大学（University of Freiburg）物理学教授Tobias Schaetz称该研究在思路上由“明显突破”，“否则无法进入基础物理学范畴”。该方法可用于许多领域，从纳米尺度到宏观尺度，他补充到。

“新方法的应用及相关影响推动了一个巨大的研究领域，相关效应从板块运动到生物系统以及马达蛋白。” Schaetz说，“想像一下可以通过控制摩擦来加强牵引联系，或者是缓和拖拽需求的纳米机器。”注，Schaetz并未参与此项研究。

该研究获得美国国家科学基金会（the National Science Foundation）和加拿大国家科学与工程研究理事会（the National Science and Engineering Research Council of Canada）的资助。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮