研究将日常力量的纳米和宏观方面联系起来

如果没有摩擦力，汽车就会滑出车道，人无法走下人行道，物体会从厨房台面上滚落到地板上。即便如此，摩擦如何在分子尺度上起作用仍然知之甚少。

使用复杂的建模和计算机模拟，由约翰霍普金斯怀廷工程学院和克里格艺术与科学学院的博士后研究员领导的团队研究了分子和宏观尺度的摩擦。该团队的研究结果出现在ACSNano中，不仅揭示了一般的摩擦力，而且还可以为改进的假肢装置和人工关节的设计提供信息。

“摩擦力令人费解，因为它不受单一相互作用的支配，例如电荷之间的吸引力;它来自可能发生在不同尺度的过程的组合。在我们的工作中，我们试图将纳米世界和宏观世界联系起来以获得特定特征称为老化的摩擦力，即当一个固体长时间停留在另一个固体上而不滑动时，将它们滑开所需的力会增加。我们想找出原因，”LucasFrérot说，他现在是Albert-Ludwigs-Universität的博士后微系统技术研究所。

法国ÉcoleCentraledeLyon的LaboratoiredeTribologieetDynamiquedesSystèmes的研究小组成员之前进行了实验，非常详细地描述了涂有脂肪酸的表面的摩擦响应，这是一种环保的润滑剂家族，但仅靠这些就可以无法解释老化背后的现象。

通过测量表面粗糙度和单分子厚脂肪酸分子层的特性，约翰霍普金斯大学的团队能够在分子模拟中重现老化过程。

“我们的模拟使我们能够尝试实验中不可能的事情，例如如果接触的表面在数学上是平坦的，会发生什么，”团队成员、怀廷学院机械工程教授JaafarEl-Awady说。

他们发现老化的主要原因是表面粗糙度。事实上，根据Frérot的说法，没有粗糙度的模型根本不会老化。

“这令人惊讶，因为里昂团队测量的表面粗糙度非常小;表面最高的山峰和最深的山谷之间的距离大约是一个脂肪酸分子的长度，”他说。

该团队得出结论，即使如此少量的粗糙度也足以阻止分子在整个表面上进行接触，从而使接触点边缘的分子可以自由移动。随着时间的推移，更多的分子发生接触，导致老化。

尽管发现的机制并不是唯一可以解释摩擦系统老化原因的机​​制，但该团队认为它可以应用于广泛的系统，在这些系统中，他们研究的脂肪酸等链状分子在表面形成保护层。

“在关节等生物系统中就是这种情况，如果我们更好地了解这些系统，我们就可以设计出更好、更耐用的假肢。从更一般的意义上讲，理解摩擦背后的物理学对于可持续系统的设计很重要。一些研究据估计，世界上约23%的能源消耗都因摩擦而损失，”Frérot说。

研究小组成员指出，这项研究中使用的模拟设计最初是由约翰霍普金斯大学物理与天文学系的前同事马克·O·罗宾斯设想的，他于2020年去世。

“然后我和卢卡斯继续与我们的合作者一起推动模拟，以成功实现其目标，并将其献给马克的记忆，”El-Awady说。