纳尺度摩擦中的边界效应研究

"纳米尺度究竟有没有、有什么样的、为什么会有新的影响摩擦的因素" 是纳米摩擦学理论目前面临的最基本、最需解决的问题。解决这些问题的关键，是从根本上发现和认识纳米尺度所浮现出的影响摩擦的新因素、揭示其内在机理。申请者团队近期的研究初步表明，纳尺度摩擦中存在显著的边界效应，即摩擦力不仅和接触面积相关，还和接触边界相关。本项目拟通过对碳纳米管、石墨烯等新型材料的摩擦力学行为的分子动力学模拟，深入研究这一现象及其产生机理。同时，还将结合晶格动力学、Tomlinson能耗机制等，建立考虑边界效应的纳尺度摩擦力计算模型。主要的创新点是提出边界效应的概念、并在解析模型中考虑边界效应。项目预期成果对于深入认识纳尺度摩擦规律、发展纳米力学、以及研发纳米器件都具有重要的科学意义。

基于理论分析和分子动力学计算，本项目围绕纳尺度摩擦中的边界效应开展了系统深入的研究。主要创新成果包括：（1）预测了纳米接触中的边界效应，提出了边界势垒和边界力等力学新概念，提出了一种新的纳尺度摩擦规律；（2）建立了预测边界效应的解析模型，获得了边界势垒、边界力与温度、基底硬度之间的解析关系，解释了纳米热梯度驱动的力学机制；（3）提出了弹性梯度驱动概念，揭示了其力学机制，分析了不同刚度基底上边界力的变化规律及温度依赖性；（4）研究了不同刚度基础支撑的石墨烯的摩擦性能及边界效应对其的影响，指出软基底上边界效应尤其明显，会显著改变石墨烯摩擦力学行为。这些成果明确地揭示了边界效应的起源和影响因素，对于深刻认识纳尺度摩擦力学行为、构筑新型纳米驱动器件具有重要的科学意义。项目执行期间发表学术论文11篇，其中JMPS 1篇，PRL 2篇。2015年发表于PRL的论文被Nature专文报道，称“提出了新的物质输运方法”，“克服了一些挑战”，“对纳米器件设计非常重要”。