互动科普

长期以来，物理学家忽视摩擦在原子水平上的起源(即纳米摩擦学)。研究表明，这种摩擦力来自包括声能在内的各种意想不到的来源。

    我向来害怕十二月的第一周，令我沮丧的并非是阴暗或波士顿下雪前的蒙蒙细雨，而且也不是假日疯狂采购的购物区找不到停车场地。在这一周应当递交美国物理学会三月的年会上的凝聚态物质物理学家聚会论文摘要。1986年我的同事Allan Widom和我开创了一种实验技术，它能够度量沿平滑固体表面滑动的一个原子厚的薄膜的摩擦力。问题是，在三月年会的无数学科范围内，我找不到可以把我的原子尺度摩擦论文归入的范畴。

    并不是未对摩擦作研究。在宏观尺度摩擦或纳米尺度科学的会议上我总是受到多学科的美国真空学会的欢迎。但是主流派物理学家似乎对这一题目不感兴趣。他们几乎一致把摩擦的起源归因于与表面粗糙度有关的某些问题。由于每天熟知摩擦及其经济上的影响，本来以为，人们应该有更大的兴趣。〔据大多数资料估计，对摩擦和磨损给以更大的注意，在发达国家将节约相当于其国民生产总值的1.6% 的费用，即仅在1995年美国就可免遭1160亿美元的庞大的经济损失。〕

事实上，我在这一研究兴趣方面并非真正是孤立的。八十年代末标志着许多新技术(包括我自已的)的到来，这些新技术能够通过在结晶基质上滑动原子对摩擦力进行实验研究，也可用新的计算机模型从理论上研究摩擦力。在1991年元月的一个出版物中我首次把这一领域叫作“纳米摩擦学”——即在纳米尺度上的完全确定的几何形状中研究的摩擦(即摩擦学)，而且其它人也开始使用这一术语。一度是由分散的研究人员组成的一个基层研究群体正逐渐变成一个公认的独立科研领域。

 自那以后，纳米摩擦学家已经常发现，原子尺度上的摩擦与宏观水平上所观察到的摩擦有显著的差异。摩擦与微观的表面粗糙度几乎无关。而在有的例子中，干燥表面实际上比湿表面更光滑。摩擦力是足够复杂的，即使我们能完全确定滑动界面的特征，我们也不能准确地预测将要在那个界而上发生的摩擦。如果能够确定微观接触和宏观材料之间精确的性质，那么对摩擦更好的认识能够导致如改进润滑剂和抗磨损机器部件之类的工业上的革新。

    自史前时期以来，这种技术上的考虑已驱使人类试图弄清摩擦这种现象。40万年前，阿尔及利亚、中国和爪哇的人类祖先在琢磨石头工具时就在利用摩擦。在公元前20万年，尼安德特人已明显地掌握了摩擦，以木头与木头摩擦和打击燧石起火。埃及在5千年前也取得了显著的进展。那里巨大的石雕象和建造金字塔所需的石块的搬运要求改进摩擦技术，即使用润滑的木制滑板。

写出经典定律

    现代摩擦学或许始于500年前，那时列奥纳多·达芬奇推导出了支配长方块在平滑表面上滑动的定律。(可是达·芬奇的著作没有在历史上产生影响，因为他的笔记在数百年内都未曾发表。)在17世纪，法国物理学家Guillaume Amontons在研究两个平滑表面之间的干滑动之后才重新发现了这一摩擦定律。

    Amonton的结论现在帮助构成经典的摩擦定律。首先，阻止在界面上滑动的摩擦力与“法向负载”成正比(法向负载就是把表面挤压在一起的力)。其次，也许是反直觉的，摩擦力的大小并不依赖于接触的表观面积。在表面上滑动的小块物体所经受的摩擦力与相同重量的大块物体产生的摩擦力同样大。除了这些定律外，有时还加上18世纪法国物理学家Charles-Augustin de Coulomb提出的第3条定律(Coulomb静电学方面的著作更为人们所熟知)：一旦运动开始，摩擦力就与速度无关；不管你以多快的速度去推一块物体，它将经受近于相同的抵抗力。

    Amontons的以及Coulomb的经典摩擦定律已经受了许多企图用比如说表面粗糙度或分子附着(相对表面中粒子之间的吸引)等根本性的因素来解释它们的考验。在50年代中期，表面祖糙度已被排除于大多数日常摩擦的可行机制之外。汽车制造者和比它人惊奇地发现，如果一个表面比另一个表面更粗糙，两个表面之间的摩擦有时较小〔参见《科学美国人》1995年2月号Frederic Partner所撰“摩擦”一文〕。此外，当两个表面被作得较平滑时，摩擦可能增大。例如，在冷焊时，高度抛光的金属十分牢固地粘在一起。

不过，分子附着是极有可能的因素，这一结论在很大程度上应归于剑桥大学F. P. Bowden, David Tabor及其合作研究者的创造性的研究。他们也发现，虽然摩擦如Amomtons所述与宏观的表观接触面积无关，但事实上它与真正的接触面积成正比。也就是说，表面的不规则处互相接触并一嵌入。所有这些触点的总和构成了真正的接触面积。已确立了摩擦和附着之间存在着某种内在联系，剑桥研究小组认为，摩擦主要来自真正接触点的附着连接，这种附着连接是如此之强以致细的碎片不断地被磨损掉。 

但是这种解释是错误的。它不能解释下述事实：即使在磨损可忽略不计的情况下也存在显著的摩擦。事实上，70年代在Tabor的指导之下一位博士研究生Jacob N. Israelachvili开发了一种“表面力装置”以量度原子尺度上的摩擦并发现了无磨损摩擦的明显证据。这一测量结果使Tabor对摩擦可能来自什么地方感到迷惑不解。

     Israelachvili的装置探索均匀的云母表面之间加润滑剂的接触。它利用了云母在原子水平上是平滑的这一事实，劈开一片云母就产生一个原子平滑的表面，其大小为1平方厘米。这一距离包含1千多万个原子。(与此相反一般的表面仅在20个原子的距离上保持平面，而平滑金属能够保持300个原子的平面。)当两个云母表面接触时，就形成一个无原子凹陷或原子山(“粗糙度”)的界面。在这种装置中，云母表面的背部一般被粘在呈十字交叉的半圆筒内，这交叉的半圆筒在水平面上可在两个方向移动。为了测量接触面积和间隔，研究人员跨过间隙发送一个相干光束，并检查所引起的叫作干涉图案(一系列明暗相间的条带)的光学效应。与半圆筒相连接的弹簧的偏转表示摩擦力。

    早些时候，表面力装置在原子尺度上证实了宏观的推论：摩擦与真正的接触面积成正比。但是已经过了将近20年后，现在已是加州大学圣巴巴拉分校正教授的Istaelachvili及其同事才确立摩擦与附着之间的难以捉摸的联系。他们发现摩擦与附着结合本身的力量之间并不相关。相反，摩擦是与附着不可逆性相联系，这种不可逆性指的是当表而粘在一起时与它们变为不相粘附的过程相比，表面有如何不同的表现。但是在他们的胜利中，研究人不能解释产生他们正在量度的摩擦的明显物理机制。

    粗糙表面之间摩擦接触方面的世界权威、剑桥大学的James A. Greenwood概括了1992年的形势，那时他写道：“如果某个聪明人解释了为什么存在摩擦和为什么摩擦与接触的〔真正〕面积成正比，那么我们的问题将被解决。”

好的振动

    那个聪明人的主要候选者是IBM公司Almaden研究中心的Gary M, McClelland。在八十年代，他基于原子晶格的振动推导出了无磨损摩擦的极简单的模型。McClelland不知道，这个模型在1929年已由英国国家物理实验室的G, A, Tomlinson所发表。同时Jeffrey B, Sokoloff及其在美国东北大学的合作研究者于1978年作了更为复杂的处理。但是这些研究几乎未受到注意。

    当紧靠一个表面的原子因对侧表面原子的滑动而开始运动时，由原子晶格振动引起的摩擦就发生。(振动一词确切地说只是指声波，技术上叫声子。)按照这种方式，一个表面在另一个表面上滑动所需的机械能部分被转换为声能，最终转换为热能；为了保持滑动，必须添加更多的机械能，因此人们必项更用力地推物体。

    转换为声波的机械能之量取决于滑动物体的性质。固体很像乐器，它们只能在某些截然不同的频率上振动，因此所消耗的机械能的量将取决于实际激发的频率。如果在对侧表面的原子的“拨动”(plucking)动作与其它表面的频率之一共振，那么就产生摩擦。但是如果它不是与其它表面自己的任何频率共振，那么声波不会有效地产生。这一特点开辟了下述激动人心的可能性：即有相对较少共振频率的足够小的固体可能表现近于无摩擦的滑动。

    总之，McClelland受不仅无磨损而且也几乎无摩擦的滑动在理论上是可能的这一事实所激发，着手与他的同事C. Mathew Mate和其他人合作。为了测量纳米尺度的摩擦，他们配上了新近发明的一种仪器：原子力显微镜。他们在1987年的一篇理程碑式的论文中公布了用这种仪器对摩擦进行的首批观测的结果，在这些观测中对摩擦的测量是一个原子一个原子地进行的。

    原子力显微镜由安装在一个柔性悬臂末端的锋利的针尖组成。当这个针尖在样品表面上扫描时，作用在尖端上的力使悬臂偏转。以各种光电手段(如电容和干涉)定量测定水平的和垂直的偏转。这种显微镜能够测定小至微微(即10-12)牛顿的摩擦力、附着力和外负荷力。(粗略地说，如将一个蝇的重量比作一个人的平均重量时，1微微牛顿就能比作一个蝇的重量。)在90年代初期，IBM公司的研究人员就在超高真空中建立了他们的摩擦力显微镜，使他们能够研究估计接触面积小于20个原子的钻石尖在结晶的钻石表面上的滑动。

    McClelland及其同事的测量得出了不依赖于法向负荷的摩擦力。根据经典的摩擦定律，这个结果应意味着零摩擦。但不仅摩擦是很明显的，切变应力(即为保持滑动每单位面积所需的力)也是巨大的：每平方米10亿牛顿〔即每平方英寸15万磅)。这个力量大得足可使优质钢断裂。很清楚，即使滑动接触的原子性质是完全知道的，我们预测这种接触产生的摩擦力的能力实际上是不存在的。

迄今，纳米摩擦学家总共观测了显著范围的切变应力从每平方米0.01牛顿到100亿牛顿。例如，巴塞尔大学物理研究所的Roland Liithi, Einst Meyer和合作研究者用接近于单个原子大小的一个改进的原子力显微镜针尖把一分子厚的buckminsterfullerne(“巴基球”或碳60)的“岛”沿一个结晶的盐表面堆移。它们发现每平方米的切变应力为10万至百万牛顿，比如石墨粉这样的典型宏观尺度的固体润滑剂的切变应力低若干个数量级。(切变应力显得较高只是因为它是以一平方米真正接触面积——不是表观接触面积——来计量的，前者一般比后者小若干个数量级。当使用石墨来润滑比如说一个封闭的圆筒时，甚至表观接触而积是十分小的，因此实际受到的摩擦可能是相当低的)。研究人员也测量了在巴基球岛的上面滑动这针尖所需要的力，并发现它是比盐“更粘稠”的。   

借助数十年来一直用来称量数纳克那样轻的试样的装置(即石英晶体微量天平〕，在我们自己的实验室测量了低若干个数量级的切变应力，它由在高频下稳定振荡(每秒钟500万至1000万次)的石英单品组成。我们在其表面沉积金属薄膜电极然后在这电极上凝结单原子厚的另一种物质的薄膜，此物质凝结在微天平上降低了频率，提供该薄膜粒子在多大程度上能够示踪下层石英基质的振动的一个量度。所得的振幅越小，在基质上滑来滑去的薄膜的“摩擦”动作产生的摩擦就越大。   

石英微量天平是当前在足可观测原子尺度的摩擦如何依赖于速度的短的时间尺度上运行的唯一试验装置。虽然第三经典摩擦定律指出，摩擦不依赖于速度。但是，后来研究人员发现，这一定律是不正确的。（Coulomb本人也同样怀疑，但却不能证明它。）例如，为了使一辆汽车均匀地减速并没有颠簸地停下，驾驶人员必须在最后时刻松开刹车，表明摩擦随着速度的减慢而增大；这种对宏观速度的依赖性几乎总是归因于微观接触点的变化〔这些微观接触点在很高的滑动速度下能够融化，而在低速下其面积可增大，此时这些微观接触点“撕开”得更慢。因而有更多的时间形成结合)。但是对于一个其接触面积保持为固定的几何结构(如我们的石英微量天平)，实际上可以预测摩擦正好表现相反的行为：即与滑动速度成正比例地增加。我们近来证实了晶体银和金的表面上滑行的一个原子厚的固体薄膜的确存在这种行为。

干燥时更光滑

    然而分析的理论不能预测我们于1989年的惊人发现：干燥时在结晶的金表面上滑行的氢薄膜更光滑。我们观测到，液态薄膜的摩擦力约5倍于固态膜的摩擦力。固态膜的切变应力在滑动速度为每秒1厘米时是微不足道的每平方米0.5牛顿。对于我来说这一效应是如此反直觉的，以致我直到发现它1年多后才发表其结果。

    在日常生活中，液体层通常在两个接触表面之间起润滑作用，那么为什么在原子尺度上它却引起更大的摩擦?计算研究已提供了关键性的联系，因为它们打开以其它任何手段都不能获得的一个罕见的观察分子行为的窗口。几位研究人员已用计算机为纳米摩擦学开辟了新的天地。他们中包括摸拟点接触的先驱者，佐治亚理工学院的Uzi Landman建立界面化学反应模型的美国海军学院的Judith A. Harrison和分析机器加工和磨损的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的James Belak。

    可是，Mark D. Robbins和他在约翰斯·霍普金斯大学的合作研究者通过摸拟在结晶的金表面上滑动的1个原子厚的氢的薄膜而回答了液体摩擦的问题。他们证明，比固态氢更易移动的液态氢能够更容易地“附着”在固态金原子之间的裂缝中。应当注意，切变发生于固态表面和液态表面之间，这种情况不同于液态润滑的宏观情况。在这些例子中，切变发生于大部分的液体内(即在液-液界面上)，它一般比固-液界面对切变产生更小的阻力。

    Robbin的模型和我们的试验结果之间近乎完全的一致性既是惊人的也是揭示性的，因为在他的计算中的全部摩擦都归因于晶格的振动(声波)。他的模型忽略了电效应的摩擦。对于绝缘表面，这种摩擦是由在界面上已分开的正电荷和负电荷的吸引而产生的。(把一个氢气球在头发上摩擦并让它紧贴在墙上就产生了相似的吸引。)但是，当接触的一个表面或两个表面是金属时，那么电荷的积聚就不显著了。而另一种电摩擦可能发生，正如瑞典哥德堡查默斯理工大学的Mats Persson所提出的并由德国于利希研究中心的理论家BoN, J, Persson所广泛研究的那样。那种摩擦是与金属材料内的运动电子被对侧的表面向前拖动所受到的阻力相关。

    物理学家知道存在着这种摩擦，但不知道它有多么重要(那就是为什么小的固体可能表现出近于无摩擦滑动，而不是完全无摩擦滑动)。由Robbins及其同事计算出的这一模型的成就似乎意味着，电效应在摩擦中未起重要的作用。为了进一步研究这个问题：我们近来测量了1个和2个原子厚度的固态氮薄膜沿结晶的银表面滑动所需的力。而且我们观测到，2个原子厚度的氮薄膜其摩擦增加约25%。

这增加的25%来自电效应吗?也许不是。Bo Persson, Rohhin和Sokoloff已对氮-银体系进行了独立的计算机模拟，而且他们的初步计算结果表明，与声波有关的摩擦，两层的远远大于一层的。基本上，两层形成一个更精致的“乐器”，以致有更多的共振频率可激发，因此摩擦更大。毫无疑问存在着电摩擦，但它的强度在很大程度上只是由紧邻界面的那些原子所决定。在模拟中选择的表示金属表面的参数能够很容易地掩盖它。但是当理论上的努力和摸拟的工作变得越来越复杂化时，我们最终应能精确地估计与电效应和晶格振动有关的能量损失的比例。

重写定律

    纳米摩擦学近来的进展清楚地表明，宏观摩擦的定律不适用于原子尺度。我们现在能够以更为一般的方式重写摩擦定律。首先，摩擦力取决于两个表面在多大程度上容易粘附（相对于变为不粘附来说）：它与把两个表面挤压在一起的力之不可逆性的程度成比例，而不是与力的全部强度成比例。其次，摩擦力与实际的接触面积而不是与表观接触面积成比例。最后，只要不让表面变热和滑动速度远远保持在声速以下，摩擦力与真正接触点界面上的滑动速度成正比例，(接近声速时它趋于稳定，因为晶格的振动不能足够快地把声能带走)。

    如果人们注意到，宏观物体之间真正接触的面积很可能与挤压力成正比。那么微观和宏观摩擦现象的差异就大大缩小：你挤压越猛烈、接触的面积越多，因此，摩擦似乎如Amoutons所述与法向负荷成比例。

此外表面粗糙度的情况究竟怎样呢?哎呀，它的重要性似乎降低了。物理学家认为，表面不规则在粘附—滑动摩擦中起一定的作用。在这种粘附—滑动摩擦中相互滑过的表面瞬时地粘着然后放开。最显著的例子包括发生尖叫的火车刹车和指甲在黑板上刮过的声音。人们认为是粗糙引起粘附和滑动的随机特性。但是伊利诺斯大学的Steve Granick及其同事近来观测了名义上的“完美”云母表面之间润滑接触中的粘附—滑动摩擦。他们将数百万重复周期的正弦力加于受限制的没有磨损的液体。而且他们观测到的结果表明随机性(具体地说就是所谓的噪声)可能是粘附—滑动摩擦本身所固有的。

 考虑到当前制造令人吃惊的小体积的机器部件的竞赛，今天在原子尺度上的基础研究方面所研究的东西，可能为明天的直接应用让路。例如，我们现在知道由支链分子作成的基质为什么比直链分子的基质能作成更好的润滑剂，尽管支链分子的基质在总体形式方面是更粘性的。（支链在比直链分子更大的力量之下它们仍然为液体，因此能够更好地防止两个固体表面接触。）用已知接触几何学进行研究的纳米摩擦学家有一天可能会帮助化学家弄清发生在表面上的由摩擦引起的反应，或帮助材料科学家设计抗磨损的物质。随着对保存能源和原料的需要变得更加迫切，可以预料物理学家为弄清基本摩擦过程的步伐定会加快。

（刘义思 译  郭凯声 校)