纳米摩擦学

纳米摩擦学的摩擦学中的（摩擦学）一个区域，原子相互作用和量子效应不能忽略的纳米级中，摩擦和磨损，粘附，润滑现象，例如，如何研究它的外观。目的是从基本和应用方面阐明和控制材料表面的特性。

在最初的纳米摩擦学研究中，仅通过实验进行直接研究，并且以极高的分辨率观察表面特征，例如扫描隧道显微镜（STM），原子力显微镜（AFM）和表面力装置（SFA）。可以分析的各种微观方法起着主导作用。现在，由于计算方法和计算机性能的发展，使用计算科学方法进行研究成为可能。

在纳米级改变表面拓扑可以减少或增加摩擦。变化范围如此之大，以至于不能从宏观上观察到润滑和粘附，甚至可以实现称为超润滑或超粘附的现象。

非常高的比表面积用微机 - 纳米机器但磨损和摩擦中是决定性的问题，具有超强润滑移动部件涂覆可以通过应用来解决。另外，可以通过纳米摩擦学技术克服与粘附有关的问题。

在纳米摩擦学中，数值计算可用于研究各种现象，例如纳米压痕，摩擦，磨损和润滑。在原子模拟中，还可以高精度确定每个原子的运动和轨迹，并且此信息用于解释实验结果，验证理论以及研究难以通过实验实现的现象。

此外，原子模拟中不存在许多实验困难，例如样品制备和仪器校准。而且，理论上任何表面都可以处理，从没有划痕的干净表面到受到严重干扰的表面。

尽管不限于纳米摩擦学领域，但原子模拟只能受到近似的原子间电势和计算能力限制的事实的限制。因此，仿真时间通常很小（飞秒），并且在第 一原理仿真中时间步长限制为1 fs，在粗粒度模型中时间步长限制为5 fs。

原子模拟表明，在SPM测量期间，探头和样品表面之间会突然接触。这种现象与发生的咬接完全不同，因为悬臂在负载控制AFM中具有灵活性。

原子力显微镜原子分辨率的起源也通过模拟发现。探针和原子的样品之间共价键合形成，它具有较高的分辨率从范德华相互作用出生到工作主要。但是，模拟还显示，在接触模式AFM扫描过程中，需要原子级的尖锐尖端来检测空位和原子。

另一方面，在敲击模式下，即使尖端在原子水平上不锋利，也可以通过所谓的频率调制方法来识别原子空位和原子。总之，只有非接触模式才能通过真实的AFM达到原子分辨率。

摩擦力（即阻碍相对运动的力）通常被认为符合经验规则，例如Ammonton-Coulomb定律（请参阅“ 摩擦”），但在纳米尺度上，这些经验规则失去了有效性。

例如，根据阿蒙顿第二定律，摩擦系数不应取决于接触面积。但是，由于材料表面通常具有凹凸，真实的接触面积与阿蒙顿定律所说的表观接触面积大不相同。它可以通过减少的真实接触面积以减少摩擦。

AFM和FFM探针在扫描样品表面时穿过低（稳定）和高势能区域。确定在原子位置方面的潜在的大小的一个因素，大规模的表面粗糙度。如果不考虑热量的影响，使探头克服势垒的力只是支撑探头的悬臂的恢复力。在这种情况下粘滑运动发生。

在纳米级，摩擦系数会在几种条件下变化。例如，在小的负荷区域中，摩擦系数小于宏观尺度，并且当负荷增加时，摩擦系数接近宏观值。表面之间的温度和相对速度也会影响摩擦系数。

润滑是用于减小彼此接触的两个表面之间的摩擦的技术。通过插入接触表面之间以减少摩擦的液体通常称为润滑剂。

润滑对于微型设备和纳米设备通常是必不可少的，但是如果按照这些微小的部分将常规润滑剂制成分子大小的薄层，则粘度的影响就会变得过强。在这种情况下，使用通过朗缪尔—布洛吉特 (Langmuir-Blodgett) 膜或自组装单层等方法制成的薄膜是有效的。

薄膜和自组装单分子层也可用于增强附着力。已经发现，用于磁性存储介质的全氟化合物润滑剂（PFPE）在潮湿环境中的亲水和疏水类型之间具有相反的行为。

水分子不粘附至疏水性PFPE层的表面，但会渗透到与基材的界面中，从而降低PFPE层的润湿性。结果，PFPE层反而增加了粘附力。亲水性PFPE没有这种作用，可以改善润滑性。

“摩擦学简称超级润滑，这是已失去的状态下的摩擦，有可能发生在纳米级材料彼此的接合处” 。

在纳米级，摩擦倾向于具有各向异性。当其晶格结构彼此不相容的两个表面彼此接触时，所有原子在不同方向上受到不同大小的力。

在这种情况下，力彼此抵消，并且基本摩擦力几乎变为零。即使两个接触表面的晶格结构相同，匹配/不匹配也会根据相对角度进行切换，因此摩擦特性也会根据方向而变化。

通过超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）的测量首次证明了这一现象。摩擦如果晶格彼此不一致没有观察到，当出生对准已被证实的摩擦力。这种在原子级的摩擦学行为是超润滑的基础。

固体润滑剂例如石墨，二硫化钼（MoS 2），碳化钛硅（Ti 2 SiC 2）是实例。由于这些材料具有层状结构，因此对层间剪切力的低抵抗力被认为是造成润滑的原因。

在宏观上，摩擦涉及许多微观接触，即使它们具有不同的尺寸和方向，根据上面的实验，大多数接触也是超润滑的。假定处于状态。因此，可以解释的是，这些物质的平均摩擦力大 大降低，并且发挥了润滑作用。

另一个使用LFM的实验表明，当施加负垂直载荷时，不会出现粘滑现象。探针被平稳地滑动，平均摩擦力显然为零。

由于AFM和FFM的出现，在用于润滑原子尺度热来是以为不能忽视的是的效果。探头通过热激励在各个方向随机跳跃。

如果探头支架的扫描速度很慢，则探头从一个低电位点移动到下一个电位点将花费很长时间，在此期间，探头会由于热运动而自行跳到下一个点。因此，探针跟随支架的运动所需的水平力很小。即，摩擦力大 大减小。