摩擦定律：大小尺度通吃？
- 上線日期：2009/3/16 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
奈米級的物體具有非常高的表面積-體積比(surface-to-volume ratio)，這意味著它們的表面會很快地磨損，或是兩物體一旦接觸就黏在一起，因此對於微小的物體，摩擦是一個大問題。一般認為奈米尺度下的摩擦與日常巨觀尺度下的摩擦大不相同，不過最近美國科學家模擬的結果卻駁斥了這個說法。
要控制奈米尺度下的摩擦力必須先了解摩擦的起源。目前描述奈米級摩擦力的模型是假設物體表面相當平滑，但實際上表面原子排列是像山脈般高低起伏。科學家能以連續體力學(continuum mechanics)來處理大型物體的粗糙性，但微尺度下的粗糙要棘手得多，因為個別原子或分子與滑動表面之間的交互作用尚未被釐清。
威斯康辛大學的Izabela Szlufarska等人模擬了奈米尺度下不同材料之間的摩擦，並探究了材料彼此滑動時，原子間的相對位置和其交互作用力大小。他們模擬了原子力顯微鏡的碳質針尖，在氫端(hydrogen-terminated)鑽石表面滑動的情形。Szlufarska表示，這是第一次滑動摩擦的原子模擬結果在定量上與實驗相符。
研究人員發現摩擦力的大小和兩物體表面產生交互作用的原子數成正比，這個關係相當類似巨觀下物體的摩擦力與其接觸面積成正比的特性。Szlufarska指出，截至目前，奈米級摩擦實驗的詮釋都是根據連續體力學模型，該小組的發現提供一個簡單的新架構，而粗糙理論在奈米尺度下亦適用的結論，為建立各尺度下皆通用的摩擦定律紮下了基礎。
該研究小組希望最終能透過模擬建構出定量上的摩擦力理論，以便將來能預測出在不同實驗環境下不同材料的摩擦係數。詳見Nature 457, p.1116 (2009)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/38021
譯者:蘇士煒(清華大學物理系)
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