原子摩擦是指一個原子層在另一個原子層上滑動時遇到的阻力，這是一種具有重要納米技術和材料科學意義的基本現象。傳統上，摩擦隨著速度的增加而增加，因為表面之間的相互作用增加。然而，最近的研究揭示了原子摩擦的非單調速度依賴性，特別是在發生多次滑動時。發表在《物理評論快報》的一篇論文探討了這種有趣現象的基本機制、實驗觀察和理論模型。

理論背景

原子尺度的摩擦受多種因素影響，包括表面粗糙度、材料特性和吸附物的存在。Prandtl-Tomlinson模型是描述原子摩擦的廣泛使用的理論框架。該模型將原子力顯微鏡（AFM）的尖端視為在代表表面原子晶格的周期性勢能景觀中移動的粒子。該模型預測，由于原子粘滑事件頻率的增加，摩擦力隨著速度的增加而增加。

然而，該模型主要處理單個原子滑動。當發生多次滑動時，情況變得更加復雜。多次滑動是指多個原子層的同時或連續滑動，導致表面之間的相互作用更加復雜。這可能導致非單調的速度依賴性，即摩擦在某些范圍內隨著速度的增加而減小。

實驗觀察

使用高分辨率摩擦力顯微鏡的最新實驗提供了原子摩擦中非單調速度依賴性的直接證據。例如，在金基底上的單層二硫化鉬（MoS2）上的一項研究表明，摩擦在特定范圍內隨著速度的增加而減小。這種行為歸因于從單個原子滑動到多個原子滑動的過渡。(www.ws46.com)

在這些實驗中，AFM尖端以不同的速度在表面上拖動。在低速下，摩擦力如預期般增加。然而，超過某個閾值后，力開始減小，表明摩擦減弱。這種非單調行為在不同的實驗裝置和材料中一致觀察到，表明這是一種普遍現象。

多次滑動的機制

從單個滑動到多個滑動的過渡是原子摩擦非單調速度依賴性的關鍵因素。在低速下，AFM尖端與單個原子層相互作用，導致單個滑動。隨著速度的增加，輸入的能量足以同時克服多個層的勢壘，導致多次滑動。

多次滑動可以通過幾種機制減少摩擦。首先，多個層的同時滑動可以導致應力的更均勻分布，減少整體阻力。其次，層之間的相互作用可以產生潤滑效應，其中一個層的運動促進相鄰層的滑動。這種效應在具有弱層間相互作用的材料中尤為明顯，例如范德華材料。

理論模型

為了解釋實驗觀察結果，研究人員開發了包含多次滑動效應的理論模型。這些模型擴展了Prandtl-Tomlinson框架，考慮了原子層的集體行為。一個這樣的模型涉及將AFM尖端與表面的低頻激發模式耦合，這代表了多個層的集體運動。

該模型預測，當激發模式頻率與尖端運動的特征頻率相當時，摩擦力表現出非單調的速度依賴性。這是因為能量耗散機制隨著速度的變化而變化，導致摩擦在某些范圍內減小。該模型的預測與實驗結果定量一致，為觀察到的行為提供了有力的解釋。

意義和應用

原子摩擦中非單調速度依賴性的發現對納米技術和材料科學具有重要意義。理解這種行為可以導致開發更高效的潤滑劑和納米級設備的涂層。它還提供了對摩擦基本機制的見解，可以為具有定制摩擦特性的材料設計提供信息。

在實際應用中，控制原子尺度的摩擦對于納米級設備的性能和壽命至關重要。例如，在微機電系統（MEMS）中，減少摩擦可以提高運動部件的效率和可靠性。同樣，在數據存儲設備中，最小化摩擦可以提高讀寫頭的耐用性和性能。

結論

由多次滑動引起的原子摩擦的非單調速度依賴性是一種挑戰傳統摩擦理解的迷人現象。通過實驗觀察和理論模型的結合，研究人員揭示了這種行為的基本機制。從單個滑動到多個滑動的過渡起著關鍵作用，導致摩擦在某些速度范圍內減小。這一發現為納米技術的研究和應用開辟了新的途徑，提供了優化摩擦特性的先進材料和設備的潛力。