科研進(jìn)展
蘭州化物所電場調(diào)控原子尺度超潤滑取得重要進(jìn)展
摩擦是機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象，也是導(dǎo)致能量耗散、設(shè)備壽命縮短和運(yùn)行效率下降的主要原因之一。如何實(shí)現(xiàn)摩擦的主動控制，一直是摩擦學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算摩擦學(xué)課題組，在原子尺度摩擦控制領(lǐng)域取得重要突破。通過自主搭建的高通量計(jì)算平臺LICP-FPHTC-Platform（摩擦學(xué)學(xué)報(bào)42(2022)493；Physical Review B?111(2025)054109；軟件著作權(quán)2021SR1172689），研究了8種類h-BN滑移鐵電材料不同電場下的電子極化、電荷密度分布（圖1）和摩擦性能，結(jié)合理論分析，建立了摩擦與外電場之間的量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了電場對摩擦性能的精準(zhǔn)調(diào)控。
圖1.雙層h-BN的四種構(gòu)型對應(yīng)的一維（a-d）和三維（e-h）差分電荷密度以及構(gòu)型的頂視（i-l）和側(cè)視圖（m-p）。
結(jié)果表明，通過施加交變電場，可動態(tài)調(diào)制層間極化狀態(tài)，從而降低滑動能壘（圖2），實(shí)現(xiàn)接近零摩擦的“超潤滑”狀態(tài)（圖3）。結(jié)合極化理論，進(jìn)一步推導(dǎo)出超潤滑對應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度的計(jì)算公式，從理論上揭示了電場調(diào)控滑移鐵電材料摩擦性能的機(jī)制。
圖2. (a)不同電場下，雙層h-BN的摩擦勢能面；(b)系統(tǒng)沿最佳滑移路徑(H+→S→H-→S→H+)的勢能曲線，虛線和實(shí)線分別表示無外場和施加交變電場的結(jié)果。
圖3. 8種類h-BN材料的摩擦力f與外電場E的關(guān)系。
相關(guān)工作以“Atomic-scale Friction Control based on Ferroelectricity”為題發(fā)表在Physical Review B（112 (2025) 235427）上。蘭州化物所和蘭州交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生陳丹為該論文的第一作者，蘭州化物所何文豪副研究員、魯志斌研究員為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光-西部交叉團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。
