【摘要】 在Junhui Sun等人的工作[1]中发现摩擦本质上源于滑动过程中的电荷密度演化。

众所周知，接触中固体的电子性质在决定接触系统的许多性质方面起着主导作用，但控制界面摩擦的电子耦合的一般规则仍然是表面/界面群落的一个悬而未决的问题。在这里，密度泛函理论计算被用来研究固体界面摩擦的物理起源。研究发现，界面摩擦可以从本质上追溯到电子势垒，即由于能级重排导致电子转移的阻力而导致的滑移中接头接触构型的变化，这适用于从范德华、金属、离子到共价接头的各种界面类型。

 

图1 以MoS2/MoS2为例计算滑动势能和电荷密度景观[1]

 

在Junhui Sun等人的工作[1]中发现摩擦本质上源于滑动过程中的电荷密度演化。基于在相互滑动或滑动趋势中发生的摩擦的动力学特性，定义了滑动系统从初始接触点到相邻接触点的电荷密度演变，以跟踪作用在滑动过程中的能量过程。它揭示了滑动能量景观和沿摩擦滑动路径的电荷密度演化之间的密切同步。这种同步给出了摩擦耗散ΔE对电荷密度演变Δρ的普遍线性响应ΔE=kΔρ，这可能是由接触位点之间的能级差异引起的。如图1a所示，以MoS2/MoS2为例，将原子接触引起的界面系统的电荷密度差ρdiff同步定义为相互作用能E的情况。

 

特别是，E和ρdiff的值分别由图2公式所示其中Etotal和Eupp（Elow）分别是接触系统的总表面和孤立上（低）表面的能量，ρtotal和ρupp（ρlow）分别是总表面和隔离上（高）表面的电荷密度。电荷密度差ρdiff显示了界面形成对电荷分布的影响，并验证了接触表面之间存在电子耦合。电荷密度的线轮廓ρdiff（z）是在垂直于界面的方向上具有积分形式的整个区域中的电荷密度差。这清楚地表明了接触配置的相互作用能量的电荷再分配。自然地，由于表面相互作用的衰减扰动，电荷密度再分配从界面区域呈指数衰减。尽管如此，根据Hohenberg−Kohn定理，预计整个空间（包括界面和内表面区域）的电荷密度再分配应负责接触构型的相互作用能量，因为整个空间中的总基态电子密度对应于系统的能量。

 

图2 公式[1]

 

结果表明，摩擦能量景观与响应电荷密度沿滑动路径的演化同步，产生了摩擦耗散对电子演化的明确线性依赖关系。相关系数使我们能够解释剪切强度的基本概念。因此，本电荷演化模型为摩擦力与实际接触面积成比例的经典假设提供了见解。这可能会揭示电子层面摩擦的内在起源，为纳米机械设备的合理设计以及对自然故障的理解开辟道路。

 

[1] J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5536−5544

 

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