【摘要】 通过密度泛函理论揭示固体界面摩擦的电荷密度演化机制，分析电子势垒与能级重排对摩擦力的影响，为纳米机械装置设计及材料失效研究提供理论支持。

固体界面摩擦的物理机制一直是表面科学领域的研究难点。传统观点认为摩擦与接触面积直接相关，但最新研究表明，界面摩擦的能量耗散过程与电荷密度的动态演化密切相关。通过密度泛函理论（DFT）计算，科学家首次揭示了电子势垒与能级重排对摩擦力的核心影响，为纳米机械装置设计和自然故障分析提供了新视角。

 

界面摩擦的物理起源

 

固体界面摩擦的本质可追溯至电子耦合过程中的能量屏障。当两个表面接触时，电子因能级差异发生转移，形成电荷密度差（ρdiff），其空间分布直接影响界面相互作用能（）。公式（1）和（2）表明，电荷密度差在滑动路径上的变化与摩擦能量景观同步演化，导致能量耗散。

 

以MoS2/MoS2界面为例（图1），滑动过程中电荷密度的累积（红色）与耗尽（蓝色）区域动态变化，验证了电子耦合对摩擦力的主导作用。这种电荷演化不仅存在于范德华界面，也适用于金属、离子键等复杂体系。

 

图 1. 滑动势能和电荷密度景观的计算

 

电荷密度演化与摩擦能量的关系

滑动过程中，接触构型的改变会触发电荷重新分布。研究发现，摩擦耗散能量与电荷密度变化的线性相关系数高达0.92，表明电子层面的动态响应是剪切强度的核心决定因素。远离界面区域的电荷密度呈指数衰减，但整体演化仍主导能量耗散过程，符合Hohenberg-Kohn定理的基态电子密度理论。

 

实验验证与应用前景

通过DFT模拟MoS2界面的滑动势能（图1b），研究团队发现，摩擦能量曲线与电荷密度差高度同步。这一结果为“摩擦力与实际接触面积成比例”的经典假设提供了微观解释，并为以下领域提供理论支持：

1.纳米机械装置设计：通过调控材料电子结构降低界面摩擦。

2.材料失效分析：预测断层滑动中的电荷演化规律。

3.新型润滑技术：开发基于电子耦合优化的低耗散涂层。

 

【1】Charge Density Evolution Governing Interfacial Friction Junhui Sun, Xin Zhang, Shiyu Du, Jibin Pu, Yang Wang, Yanping Yuan, Linmao Qian, and Joseph S. Francisco Journal of the American Chemical Society 2023 145 (9), 5536-5544 DOI: 10.1021/jacs.3c00335

 

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