01 背景 长期以来，纳米摩擦学领域一直无法直接观察滑动界面上发生的事情。虽然基于原子力显微镜的技术已经在纳米尺度上发现了许多摩擦现象，但许多可解释的问题仍然源于接触表面的间接或非原位表征。因此，要对扩散金属接触之间的原子摩擦有明确的机械理解，需要有关接触面的实时界面结构的信息，不幸的是，这超出了大多数现有实验方法的能力，包括基于 AFM 的技术——用于研究纳米/原子级摩擦的最广泛的实验方法。而原位透射电子显微镜 (TEM) 的最新进展为捕捉原子摩擦过程中的界面结构开辟了新视野。
02 研究的问题 本文结合了原位高分辨率透射电子显微镜和原子力显微镜测量，对摩擦过程中原子尺度的界面结构进行了直接、实时的观察，发现在两个金属粗糙度之间形成了松散堆积的界面层，这使得在拉应力下的摩擦变得很低。这一发现得到了分子动力学模拟的证实。在压应力作用下，松散堆积的界面层在平衡距离处形成有序层，导致了从低摩擦运动到耗散高摩擦运动的转变。这项工作直接揭示了原子扩散在金属接触摩擦中的独特作用。
▲图1|原位TEM摩擦实验装置。
要点： ● 图1展示了研究原子摩擦的工作中建立的实验配置。W 探针的尖端（即 W 单晶粗糙体）由 TEM 支架上的压电系统驱动，与沉积在 AFM 悬臂上的 Au 粗糙体接触并在其上滑动（图1a-c）。精确控制粗糙表面的相互取向（图1d）。摩擦力是根据胡克定律计算的，即通过乘以 AFM 悬臂的垂直挠度和弹簧常数。
▲图2|与无IL的高摩擦相比，IL诱导的低摩擦连续滑动。
要点： ● 本文的实验证明了在拉伸应力下 W 和 Au 表面之间的IL诱导的低摩擦过程（图2a-e）。有趣的是，在接触处形成松散堆积的IL，与面心立方 (fcc) Au 和体心立方 (bcc) W 微凸起相比，其显示出明显不同的结构和取向。在摩擦过程中，上部 W 和下部 Au 的结构都表现出可以忽略不计的变化，而IL的原子对比度不断演变，这意味着摩擦的逆运动主要由IL进行诱导（图2a-d）。
● 通过从连续高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像中测量 AFM 悬臂的偏转，发现摩擦力非常低（平均约 0.1 nN）并且在测试过程中显示出轻微的波动（图2e）。
● 相比之下，当松散堆积的IL不存在时，观察到摩擦力增加（图2f-j）。Au和W界面最初沿摩擦方向一起移动而没有相对滑动（图2f，g），这导致摩擦力逐渐增加到最大~0.8 nN ，也就是静摩擦（图2j中的蓝色虚线和2f）。此后，随着 Au 和 W 界面之间的相对滑动距离的增加，动摩擦几乎保持不变。
▲图3|W-Au粗糙表面之间的界面结构和摩擦行为随其相对距离变化的MD模拟。
要点： ● 在 MD 模拟中，在 W 表面上加入了具有 bcc {110}平面结构的 Au 层。如图3a-l 所示，随着 W 和 Au 界面的逐渐分离，Au 层（如图3a-c 中的红色箭头所示) 在 bcc 和 fcc 结构的界面上逐渐转变为IL，其中的原子有明显松散堆积。值得注意的是，松散堆积的 IL 仅在 Au 和 W 界面上发生分离，最长距离的临界值达到约 6-7 Å（图3m），该值远超过平衡距离（~4.7 Å）。
▲图4|松散堆积的IL中原子扩散诱导的低摩擦力。
要点： ● 为了进一步揭示导致超低动摩擦的松散堆积IL内部的原子机制，本文还分析了摩擦过程中 IL（图2a）的动态演变。如连续 HRTEM 图像（图4a-c）和松散堆积的IL和顶部 Au 层的时间强度分布。如图4d所示IL和顶部 Au 层的长度不断变化在摩擦过程中，这表明金原子在接触界面附近发生了严重的表面扩散。此外，IL中的局部对比度经常从强变为弱或相反（图4 中的棕色箭头)，这意味着在IL内发生着不同方向的质量传输和连续的原子重排。
● 特别值得注意的是，如图4b-d 中的青色箭头所示，IL的局部结构在大约 1-3 秒内相对于 W粗糙度保持不变，而IL和 Au 粗糙的位置向右移动（图4d)，这意味着 IL 的迁移以及 Au 和 W 粗糙度之间的反运动是由原子扩散而不是刚性剪切诱导的，就像在高摩擦的情况下一样。
03 结语 这项工作提供了摩擦过程中界面的实时微观结构的直接原子尺度观测，因此可以作为研究原子摩擦的范例。在拉应力作用下，原子扩散形成疏松堆积的IL，在反向滑动的微凸体之间起到润滑剂的作用，从而产生超低的摩擦力。IL只存在于粘结应力最高处，在接近平衡距离时消失。此外，粗糙表面的接触角在界面结构中也起着不可忽视的作用，从而影响原子摩擦的基本机理。本文的工作揭示了超出一般预期的金属单一粗糙度之间低摩擦的根源，这突出了原子扩散在决定界面结构从而决定摩擦的原子机制中的关键作用。
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