

氢核量子效应诱导类金刚石碳膜实现低温下超低摩擦

高端装备界面科技全国重点实验室

2024-03-21

导读：清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室马天宝教授团队，在含氢类金刚石碳膜低温摩擦试验中发现了摩擦界面氢转移反应的核量子效应，在低至103 K低温下实现了稳定的超低摩擦状态

温度是影响摩擦的关键因素之一，特别在极低温条件下，摩擦过程中热激活效应受到抑制，往往带来不利的高摩擦状态。近年来，理论研究表明量子润滑可能是低温摩擦调控的一个有效途径，但至今尚未在实验中得到证实。近期，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室马天宝教授团队，在含氢类金刚石碳膜低温摩擦试验中发现了摩擦界面氢转移反应的核量子效应，在低至103 K低温下实现了稳定的超低摩擦状态；通过基于机器学习势的第一性原理精度分子动力学模拟以及路径积分分子动力学方法，揭示了低温下由氢原子核波动性主导的量子摩擦机制，为低温超滑实现提供了理论基础。该成果近期发表于国际期刊《small》，题为“Ultralow-friction at Cryogenic Temperature Induced by Hydrogen Correlated Quantum Effect”。

基于超高真空变温原子力显微镜(UHV-VT-AFM)对不同含氢量的a-C:H碳膜 (10 at.% H和40 at.% H)宽温域下的摩擦性能进行研究，并利用高含氢a-C:H碳膜实现了宽温域乃至极低温（103-348 K）下的超低摩擦系数（图1）。课题组结合机器学习方法构建起针对a-C:H体系具有第一性原理精度的原子间势以实现对摩擦过程中结构演化及摩擦化学反应的高精度捕捉，并进行大规模分子动力学模拟研究。实验表征与理论模拟的结果表明，界面结构有序化转变主导了碳膜摩擦演化并实现了超低摩擦状态，摩擦过程伴随的界面氢转移反应是有序化转变温和稳定进行的关键。提取a-C:H碳膜宽温域摩擦演化的动力学过程，低含氢碳膜有序化速率随温度降低呈近指数下降，符合热激活的Arrhenius规律，而高含氢碳膜有序化速率在低温范围内打破了随温度降低的依赖性，理论计算和路径积分分子动力学模拟表明，这种温度依赖性的解除源于摩擦过程氢转移反应中的核量子效应，低温下氢原子核的波动性取代热激活在摩擦化学反应中占据主导地位，使氢转移反应通过能垒隧穿实现（图2），从而确保了低温下有序化转变温和稳定的进行。本研究揭示了低温核波动性实现摩擦界面氢转移反应的物理机制，为量子效应实现摩擦调控提供了清晰的物理图景。