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摩擦是一系列复杂过程的结果，这些过程共同作用以抵抗相对运动。尽管有这样的复杂性，摩擦通常是用简单的现象学表达式来描述，这些表达式通过摩擦系数将法向力和侧向力联系起来。参数包含多种有时相互竞争的效应。
为了更好地理解摩擦的起源，Zhe Chen和化学工程、机械工程和材料研究部门的一个跨学科研究团队，使用单层石墨烯阶梯边缘装置研究了二氧化硅和石墨之间在化学和拓扑上定义良好的界面，研究确定了物理和化学过程对摩擦的单独贡献。
并表明单个摩擦系数可以分为与这些影响相对应的两个项。这些结果提供了对摩擦的化学和接触结构起源的洞察，作为利用相互竞争的摩擦过程作为调整表面的途径。其研究发现现在发表在《科学进展》期刊上。摩擦发生在接触的任何两个固体表面之间交界处，并以不同的速度或方向移动。由于摩擦可以对应于浪费的能量，科学家使用该参数来确定从生物到航空的所有移动系统效率和使用寿命。
摩擦力(Ff)通常在微尺度上与外加载荷(L)成线性比例，这种关系的比例(称为摩擦系数(COF)用表示，并表示为阿蒙顿定律(Amonton‘s Law)。粘附力(Fa)可以在纳米尺度上变得重要，为薄膜中摩擦学的分子机制引入一个额外术语。虽然这个表达式在现象学上很简单，并且在实验中保持了几十年，但确定摩擦系数大小的实际机制非常复杂。物理学家以前曾提出摩擦具有纯粹的物理起源，相关的化学过程发生在滑动表面上。
但是到目前为止，人们对观察到摩擦之间的相互作用了解得很少，因为摩擦通常只与表面磨损有关。因此，在本研究中，使用在化学和接触结构面上定义良好的界面，来确定物理和化学过程对摩擦的贡献。而不考虑表面磨损，从而获得对经常报道但理解较少的COF(摩擦系数)来源的基本见解。科学家们使用模型系统包含一个由硅制成的原子力显微镜(AFM)探针，称为二氧化硅尖端，以及具有单层石墨烯台阶边缘的石墨表面，石墨的基面提供了化学惰性和无缺陷平面。
顶部暴露的石墨烯薄片与底层成比例，为摩擦测试提供了最少的波纹表面。实验系统包含石墨表面上的单层石墨烯台阶边缘，以提供在对应于一个化学键长度距离上高度变化为0.34 nm的明确形貌，以形成原子台阶。研究使用反应分子动力学(MD)模拟对相同的系统进行了建模，在石墨烯靠近台阶边缘的石墨烯最顶层上重新创建了二氧化硅尖端顶点。
在研究过程中，能让对原子平面上二氧化硅表面的界面剪切进行计算和实验研究，以及在步骤中在化学或地形上明确定义的特征上进行计算和实验研究。实验模型与计算模拟一致，提供了对摩擦原子水平起源的洞察。在用二氧化硅AFM尖端测量石墨烯台阶边缘期间，研究小组获得了约0.1的摩擦系数，接近弹性变形测试下在各种表面上观察到的值。在基于AFM TIP设置的降级过程中，观察到更复杂的摩擦响应，其中摩擦在结构表面高度变化过程中波动。
观察到的变化并不仅仅对应于结构表面，但研究无法区分系统中的化学和物理效应。为了探索这些起源，研究人员分析了摩擦作为载荷的函数，并从实验研究和模拟中观察到摩擦对石墨台阶和石墨烯台阶边缘的载荷依赖性。结果证实，模拟为复杂摩擦行为的界面过程提供了原子级的洞察。系统中的摩擦系数与承载摩擦进行量化，以分离化学和物理贡献，研究小组使用模拟中观察到原子尺度信息来获得额外的洞察。
为了量化反应性MD模拟中对摩擦的物理贡献，科学家们首先使用了二氧化硅尖端的剪切应变。 然后用实验中二氧化硅尖端和石墨表面形成氢键的数量来量化化学贡献。 当二氧化硅尖端滑过石墨基底平面时，没有观察到明显的物理或化学相互作用，用这来解释研究中计算的摩擦系数实验超润滑性(~0.003)。
然而，在原子跃迁过程中，物理(应变)和化学(氢键)机制协同增强了对滑动的抵抗力，导致摩擦系数在原子跃迁时比在石墨基面时大100倍，科学家们对氢键相互作用产生的降压阻力进行了类似观测。 通过这种方式，研究人员使用COFs和MD模拟，来深入了解摩擦的物理和化学根源。
当表面和联锁引起的应变以及剪切面上的化学键合可以忽略时，在实验装置中获得了超润滑性。观察到在0.34纳米高石墨烯台阶边缘以上的提升过程中，由于界面结合，表面结构和化学效应共同导致了物理效应和化学效应。在实验的降压运动中，负表面变化产生了一种力来辅助滑动运动，而相反运动表面之间的化学键产生了一种阻力。研究表明，平衡这两个部件可以决定摩擦和摩擦系数在实验系统中最终是正还是负。
研究结果解释了在原子粗糙表面实现超润滑性的困难——除非表面特征是化学惰性的。总而言之，研究结果表明，利用指定的表面特征和预先排列的化学基团来调整摩擦系数是可能的。虽然这一概念不能立即改善摩擦的工业应用，但为摩擦的化学和结构表面的成因提供了基本认识，因此对未来在摩擦学界面最小化阻力方面的科学进展具有重要前景，这项研究将为应用物理学中可调谐摩擦打开了可能性。
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参考期刊《科学进展》