科研進展
蘭州化物所電場調控原子尺度超潤滑取得重要進展
摩擦是機械系統(tǒng)中普遍存在的現象，也是導致能量耗散、設備壽命縮短和運行效率下降的主要原因之一。如何實現摩擦的主動控制，一直是摩擦學與材料科學領域的核心挑戰(zhàn)。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室計算摩擦學課題組，在原子尺度摩擦控制領域取得重要突破。通過自主搭建的高通量計算平臺LICP-FPHTC-Platform（摩擦學學報42(2022)493；Physical Review B?111(2025)054109；軟件著作權2021SR1172689），研究了8種類h-BN滑移鐵電材料不同電場下的電子極化、電荷密度分布（圖1）和摩擦性能，結合理論分析，建立了摩擦與外電場之間的量化關系，實現了電場對摩擦性能的精準調控。
圖1.雙層h-BN的四種構型對應的一維（a-d）和三維（e-h）差分電荷密度以及構型的頂視（i-l）和側視圖（m-p）。
結果表明，通過施加交變電場，可動態(tài)調制層間極化狀態(tài)，從而降低滑動能壘（圖2），實現接近零摩擦的“超潤滑”狀態(tài)（圖3）。結合極化理論，進一步推導出超潤滑對應的臨界電場強度的計算公式，從理論上揭示了電場調控滑移鐵電材料摩擦性能的機制。
圖2. (a)不同電場下，雙層h-BN的摩擦勢能面；(b)系統(tǒng)沿最佳滑移路徑(H+→S→H-→S→H+)的勢能曲線，虛線和實線分別表示無外場和施加交變電場的結果。
圖3. 8種類h-BN材料的摩擦力f與外電場E的關系。
相關工作以“Atomic-scale Friction Control based on Ferroelectricity”為題發(fā)表在Physical Review B（112 (2025) 235427）上。蘭州化物所和蘭州交通大學聯合培養(yǎng)碩士生陳丹為該論文的第一作者，蘭州化物所何文豪副研究員、魯志斌研究員為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光-西部交叉團隊”項目、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊項目的支持。
