众所周知，接触固体的电子性质在决定接触系统的许多特性方面起着主导作用，但控制界面摩擦的电子耦合规则仍是表/界面领域的一个悬而未决的问题。 近日，宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco、西南交通大学钱林茂、中国石油大学（华东）Du Shiyu等人 利用密度泛函理论研究了固体界面摩擦的物理来源。 作者利用 CASTEP模块 进行密度泛函理论计算，并且为了排除其对离子核描述的选择，还利用VASP计算进行了验证。 对于具有vdWs校正的DFT计算，作者采用了各种交换相关泛函，包括含有Perdew、Burke和Ernzerhof（PBE）的广义梯度近似（GGA）泛函，PW91泛函，具有OBS校正的局部密度近似（LDA）泛函。此外，在含有Perdew、Burke和Ernzerhof（PBE）的广义梯度近似（GGA）泛函中，作者进行了能量平面波计算，并采用了D2，D3和TS方法进行了校正。在模拟相反表面相互滑动时，作者在垂直方向上设置了20Å的真空层，以屏蔽其周期性相互作用。作者将能量收敛标准设置为2×10−6 eV/atom，力的收敛标准设置为0.02 eV/ Å，并且所有原子保持驰豫。
图1（a） 界面接触的相互作用能和差分电荷密度（b） 滑动能和相应的电荷密度演化 如图1a所示，差分电荷密度表明界面形成对电荷分布的影响，并验证了接触表面之间存在电子耦合。电荷密度的线分布是整个区域中的电荷密度差，其为差分电荷密度在垂直界面方向上的积分形式，从中可以清楚地看到接触相互作用能量的电荷再分配。由于表面相互作用的衰减扰动，电荷密度重新分布从界面区域呈指数衰减。尽管如此，根据Hohenberg–Kohn定理，整个空间（包括界面区域和内表面）的电荷密度重新分布主导相互作用能，因为整个空间中的总基态电子密度对应于系统的能量。 当接触沿着滑动路径从一个位置到另一个位置时，滑动系统的电荷密度会发生改变。因此，电子密度随滑动路径的变化如图1b所示，滑动势能和响应电荷密度是通过在平衡位置周围的等法向间隔下，在平行于基面的一个表面的一组横向位移处执行接触相互作用能和响应电荷分布计算获得的。 如图2左图所示，当物体在底部滑动时，滑动势与能量耗散密切相关，从而导致摩擦。类似地，如中图所示，当上表面沿下表面滑动时，相互作用原子之间的电子云随着接触构象的变化而重新分布，从而导致电荷密度沿滑动路径演化。而接头的这种依赖于水平能量（左）和电荷密度（中）的空间效应，而空间效应产生于每个界面原子占据的空间，由于重叠电子云的显著能量变化，使该空间排斥或吸引其他原子。换言之，滑移界面的接触构象取决于电子云在跨接触相互作用时原子之间的分布。如图2右图所示，两个表面之间的摩擦取决于接触系统的电荷密度演变，而相互作用的原子能量由电子分布决定。 图3. （a）vdW、（b）金属、（c）离子和（d）共价接头摩擦滑动的电荷密度演变和PES之间的线性关系 在图3中，作者通过将电荷密度演变与PES相关联，发现其适用于从vdW、金属和离子到具有均匀或非均匀界面的共价接头的广泛界面类型。对于各种摩擦系统，作者给出了一般线性关系，而不同斜率的摩擦学相图可以区分不同界面情况下的摩擦特性。滑动电荷密度演化与PES之间的强相关性表明，控制摩擦耗散可以通过调节界面的电子特性来实现。 图4. 系统在常压下的摩擦滑动（a）MoS2 /MoS2 ，（b）石墨烯/石墨烯，和（c）石墨烯/h-BN 法向载荷是影响滑动系统摩擦响应的基本参数之一。为了评估压力对滑动系统的电荷密度演化和PES之间相关性，作者研究了压缩状态下不同界面距离下系统的电荷密度和PES的压力相关性。如图4左栏所示，对于具有均匀（MoS2 /MoS2 和石墨烯/石墨烯）或非均匀（石墨烯/h-BN）界面的系统，电荷密度和PES随界面压力的增加而增加。同时，压力驱动的PES在滑动路径中对各自电荷密度演化的显著线性依赖性，证明了电荷密度演化控制压力下系统PES的有效性。
研究发现，界面摩擦可以从本质上追溯到电子势垒层面。由于电子转移的能级重排阻力，导致在滑动中接触构型发生变化，该结果适用于从范德华、金属和离子到共价接头的各种界面类型。此外，摩擦能量与沿滑动路径的响应电荷密度演化而同步演化，并产生摩擦耗散与电子演化的线性关系。因此，该电荷演化模型为纳米机械设备的合理设计以及对自然故障的理解开辟道路。
Junhui Sun et.al Charge Density Evolution Governing Interfacial Friction JACS 2023， https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c00335
原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/11/17/0de42bd0e5/
