科研進展
蘭州化物所靜態(tài)摩擦性能標準計算模型獲重要進展
計算摩擦學作為探索與調(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，若使用不精確的計算模型，所得結(jié)論或許無法為摩擦學發(fā)展增添助力，甚至可能增加對摩擦現(xiàn)象基礎(chǔ)物理機制理解的困惑。為更加準確地描繪摩擦現(xiàn)象的全貌，深入探索其物理本質(zhì)，亟需建立一套科學、標準的靜態(tài)摩擦性能計算模型。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室計算摩擦學課題組與蘭州交通大學材料科學與工程學院等單位合作，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 （ 摩擦學學報42(2022)493；軟件著作權(quán)2021SR1172689），考慮目前主流的三種靜態(tài)摩擦性能計算模型——等距模型（CDM）、等載模型（CLM）、無負載做功的等載模型（CLM-NW），針對已報道了負摩擦系數(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算結(jié)果對計算模型的依賴。結(jié)果表明，只有CLM-NW的計算模型出現(xiàn)了文獻報道的負摩擦系數(shù)現(xiàn)象，CDM和CLM的摩擦計算結(jié)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(shù)現(xiàn)象可能是不精確計算模型導致的錯誤結(jié)果。
圖2 等載和等距滑動過程中界面受力示意圖。滑動過程中的能量最小點（左）和鞍點（右）。黃色和粉色標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，蘭州交通大學王云鋒教授為共同通訊作者。
該研究工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光-西部交叉團隊”項目、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)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。
