科研進(jìn)展
蘭州化物所靜態(tài)摩擦性能標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型獲重要進(jìn)展
計(jì)算摩擦學(xué)作為探索與調(diào)控摩擦行為的新興途徑，為深入理解該領(lǐng)域開辟了新的視野。然而，若使用不精確的計(jì)算模型，所得結(jié)論或許無法為摩擦學(xué)發(fā)展增添助力，甚至可能增加對摩擦現(xiàn)象基礎(chǔ)物理機(jī)制理解的困惑。為更加準(zhǔn)確地描繪摩擦現(xiàn)象的全貌，深入探索其物理本質(zhì)，亟需建立一套科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)摩擦性能計(jì)算模型。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算摩擦學(xué)課題組與蘭州交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等單位合作，使用自主搭建的固體界面摩擦性能第一性原理高通量計(jì)算平臺LICP-FPHTC-Platform （ 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)42(2022)493；軟件著作權(quán)2021SR1172689），考慮目前主流的三種靜態(tài)摩擦性能計(jì)算模型——等距模型（CDM）、等載模型（CLM）、無負(fù)載做功的等載模型（CLM-NW），針對已報(bào)道了負(fù)摩擦系數(shù)的二維材料界面體系——Gr/Gr、h-BN/h-BN、In2Se3/In2Se3，研究了摩擦性能的計(jì)算結(jié)果對計(jì)算模型的依賴。結(jié)果表明，只有CLM-NW的計(jì)算模型出現(xiàn)了文獻(xiàn)報(bào)道的負(fù)摩擦系數(shù)現(xiàn)象，CDM和CLM的摩擦計(jì)算結(jié)果定量一致（圖1）。
圖1 三種計(jì)算模型得到的靜摩擦力f與負(fù)載fext的關(guān)系
通過等載與等距滑動過程中界面受力分析（圖2），結(jié)合能量守恒原理得出，忽略負(fù)載做功的CLM-NW模型在理論上存在根本性缺陷，而CDM和CLM模型都可作為靜態(tài)摩擦性能計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)模型。進(jìn)一步證明了已被文獻(xiàn)報(bào)道的基于CLM-NW模型計(jì)算得到的負(fù)摩擦系數(shù)現(xiàn)象可能是不精確計(jì)算模型導(dǎo)致的錯誤結(jié)果。
圖2 等載和等距滑動過程中界面受力示意圖?；瑒舆^程中的能量最小點(diǎn)（左）和鞍點(diǎn)（右）。黃色和粉色標(biāo)記分別表示等載和等距滑動過程的界面信息
相關(guān)工作以“Potential Negative Friction Coefficient Predicted by First Principles: A Possible Consequence of Inaccurate Computational Models”為題發(fā)表在Physical Review B（2025）111,054109。蘭州交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生曹玉為該論文的第一作者，蘭州化物所何文豪助理研究員、魯志斌研究員，蘭州交通大學(xué)王云鋒教授為共同通訊作者。
該研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光-西部交叉團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及蘭州化物所青年科技工作者協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金的支持。
