科研進(jìn)展
蘭州化物所靜態(tài)摩擦性能標準計算模型獲重要進(jìn)展
計算摩擦學(xué)作為探索與調控摩擦行為的新興途徑，為深入理解該領(lǐng)域開(kāi)辟了新的視野。然而，若使用不精確的計算模型，所得結論或許無(wú)法為摩擦學(xué)發(fā)展增添助力，甚至可能增加對摩擦現象基礎物理機制理解的困惑。為更加準確地描繪摩擦現象的全貌，深入探索其物理本質(zhì)，亟需建立一套科學(xué)、標準的靜態(tài)摩擦性能計算模型。
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)驗室計算摩擦學(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算平臺LICP-FPHTC-Platform （ 摩擦學(xué)學(xué)報42(2022)493；軟件著(zhù)作權2021SR1172689），考慮目前主流的三種靜態(tài)摩擦性能計算模型——等距模型（CDM）、等載模型（CLM）、無(wú)負載做功的等載模型（CLM-NW），針對已報道了負摩擦系數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算結果對計算模型的依賴(lài)。結果表明，只有CLM-NW的計算模型出現了文獻報道的負摩擦系數現象，CDM和CLM的摩擦計算結果定量一致（圖1）。
圖1 三種計算模型得到的靜摩擦力f與負載fext的關(guān)系
通過(guò)等載與等距滑動(dòng)過(guò)程中界面受力分析（圖2），結合能量守恒原理得出，忽略負載做功的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)摩擦性能計算的標準模型。進(jìn)一步證明了已被文獻報道的基于CLM-NW模型計算得到的負摩擦系數現象可能是不精確計算模型導致的錯誤結果。
圖2 等載和等距滑動(dòng)過(guò)程中界面受力示意圖?；瑒?dòng)過(guò)程中的能量最小點(diǎn)（左）和鞍點(diǎn)（右）。黃色和粉色標記分別表示等載和等距滑動(dòng)過(guò)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)院戰略性先導科技專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光-西部交叉團隊”項目、中國科學(xué)院穩定支持基礎研究領(lǐng)域青年團隊項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。
