摩擦力很难预测和控制，特别是因为接触的表面很少是完全平坦的。新的实验表明，即使在大尺度上，两个硅表面之间的摩擦量也是由它们之间微观化学键的形成和断裂决定的。这使得使用表面化学技术来控制摩擦量成为可能。这项研究发表在《物理评论快报》上。
“尽管摩擦在应对各种挑战方面发挥着至关重要的作用，如预测地震和减少机械设备的能耗，但对摩擦缺乏定量的理解，”主持该研究项目的研究员梁鹏博士说。这不是小事:据估计，摩擦消耗的能源占全球能源消耗的20%以上。控制机械中的摩擦对于减少材料磨损和提高定位精度也很重要。
彭与阿姆斯特丹大学物理研究所和范特霍夫分子科学研究所的其他研究人员以及纳米光刻高级研究中心(ARCNL)合作。这项研究是一项正在进行的合作的一部分，目的是研究微观层面上的大规模摩擦是如何出现的。
近年来，新的研究方法使研究人员能够放大两个表面接触并相互滑动时究竟发生了什么。至关重要的是，表面从来都不是完全光滑的。在纳米的尺度上，也就是一米的十亿分之一，它们看起来就像有着明显的山峰和山谷的山地景观。
先前的实验和数值模拟已经证明，在这种小尺度下，摩擦在很大程度上取决于表面原子之间键的形成和断裂。这不仅受到滑动表面粗糙度的影响，还受到存在于界面上的原子或分子(如水)的影响。
彭解释说:“我们决定将这些纳米摩擦机制扩展并应用于更大的工业相关规模。”研究人员使用一种叫做流变仪的特殊仪器，研究了相对粗糙的硅球和光滑的硅晶片之间的摩擦量如何取决于界面上微观化学键的密度。硅(Si)是一种特别有趣的材料，由于它在半导体工业中的广泛应用。它在地壳中的丰富也使它与地震研究有关。
在清洁了污染物表面后，研究人员发现，当表面在纯氮气中干燥更长时间时，使球在晶圆上滑动所需的力要小得多——换句话说，摩擦要少得多。进一步的实验表明在原子水平上发生了什么:更长时间的干燥减少了暴露在硅表面的羟基(OH)基团的数量。当与另一个硅表面接触时，这些基团的存在导致两个表面之间形成硅-氧-硅(Si-O-Si)键。
研究表明，在大尺度上测量的摩擦力与接触前两个硅表面存在的微观Si-OH基团的密度之间存在显著的关系，它控制着接触过程中形成的Si-O-Si键的数量。这些化学键的密度是通过设定清洁表面干燥的时间长度来调节的。令人兴奋的是，这意味着有可能预测和控制硅表面之间的摩擦力。
“我们的结果非常引人注目，因为它展示了从第一原理对宏观摩擦的定量理解。因此，我们的发现可以弥合阻碍基于理解的摩擦控制的知识鸿沟。”
