摩擦力很难预测和控制，特别是因为接触的表面很少是完全平坦的。新的实验表明，两个硅表面之间的摩擦力，即使是在大尺度上，也是由它们之间微观化学键的形成和断裂决定的。这使得可以使用表面化学技术来控制摩擦量。新结果发表在《物理评论快报》上。
负责该研究项目的博士研究员梁鹏表示：“尽管摩擦力在应对预测地震和减少机械设备能耗等各种挑战方面发挥着至关重要的作用，但人们对摩擦力缺乏定量的了解。” 这可不是小事：据估计，全球能源消耗的 20% 以上是由摩擦造成的。控制机械摩擦对于减少材料磨损和提高定位精度也很重要。
彭与阿姆斯特丹大学物理研究所、范特霍夫分子科学研究所以及纳米光刻高级研究中心(ARCNL)的其他研究人员合作。这项研究是正在进行的合作的一部分，旨在研究大规模摩擦如何在微观层面上出现。
近年来，新的研究方法使研究人员能够深入了解两个表面接触并相互滑动时到底会发生什么。至关重要的是，表面永远不会完全光滑。在纳米尺度上，即十亿分之一米大小，它们看起来就像山峰和山谷明显的山地景观。先前的实验和数值模拟已经证明，在如此小的尺度上，摩擦力很大程度上取决于表面原子之间键的形成和断裂。这不仅受到 滑动表面粗糙度的影响，还受到界面上存在的原子或分子(例如 水)的影响。
“我们决定将这些纳米摩擦机制扩展到更大的工业相关规模，”彭解释道。研究人员使用一种称为流变仪的特殊仪器，研究了相对粗糙的硅球和光滑的硅片之间的摩擦力如何取决于界面处微观化学键的密度。硅，化学符号为Si，由于其在半导体行业的广泛应用，是一种特别值得研究的材料。它在地壳中的丰富程度也使其与地震研究相关。
清洁表面污染物后，研究人员发现，当表面在纯氮气中干燥更长时间时，在晶圆上滑动球所需的力要小得多，换句话说，摩擦力更小。进一步的实验表明了原子水平上发生的情况：较长的干燥时间会减少硅表面暴露的羟基 (OH) 数量。当与另一个硅表面接触时，这些基团的存在导致两个表面之间形成硅-氧-硅(Si-O-Si)键。
研究表明，大尺度测量的摩擦力与接触前两个硅表面上存在的微观 Si-OH 基团的密度之间存在显着的关系，该密度控制着接触过程中形成的 Si-O-Si 键的数量。这些化学键的密度是通过设置清洁表面干燥的时间长度来调节的。令人兴奋的是，这意味着可以预测和控制硅表面之间的摩擦力。
“我们的结果非常引人注目，因为它展示了从第一原理对宏观摩擦的定量理解。因此，我们的研究结果可以弥合阻碍基于理解的摩擦控制的知识差距。”梁总结道。
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