微纳米复合材料研究所在纳米级液膜诱导摩擦增强机理与调控研究中取得新进展

自然环境下，由于水凝结或有机污染而形成的液膜不可避免地会影响界面接触粘附和摩擦行为。特别是，接触界面从湿向干转变的过程中，存在一种特殊的湿润状态，称为黏着态，观察到黏附力和摩擦的异常增强。爬行动物中的一些典型例子，如蚂蚁、苍蝇、树蛙等，它们通过粘附器官分泌一层薄薄的液体膜，使它们能够在任何表面（光滑或粗糙，潮湿或干燥，坚硬或柔软）上自由行走。与润滑良好的光滑滑动接触界面不同，黏着态下的摩擦行为通常会发出吱吱的响声并发生不平稳的滑动，但其增长幅度随接触系统（软接触和刚性接触）的变化而变化。例如，在橡胶叶片/挡风玻璃接触中，黏着态下的摩擦力仅增加37%，而在磁盘头接触中，最大摩擦力是无润滑时摩擦力的5倍。在自然环境中或在干湿过渡过程中，纳米尺度的水膜不可避免地存在于接触界面中，并引发这种摩擦增强，导致工业应用中不必要的表面磨损和结构失效。相反，如果能够有效地利用摩擦增强，它将有利于在潮湿道路上控制制动和鞋子或手术钳的抓地力。因此，明确液膜与界面摩擦的关系，对于提高系统运行的可靠性具有重要意义。

   近期，中国科学技术大学微纳米复合材料研究所张忠教授团队系统地综述了纳米尺度水膜在接触界面上摩擦增强的机理与调控，系统地介绍了软质材料摩擦研究的实验设备和方法，包括接触可视化、实际接触面积和表面变形的表征、液膜厚度和分子构型的识别以及纳米级摩擦的测量。此外，基于近期研究工作的积累，概述了在理解摩擦增强的关键机制方面取得的重大进展，例如垂直毛细力、界面剪切强度和冰状水。进一步给出了通过调整水膜分布、表面粗糙度和弹性模量来调节摩擦行为的一些常用设计策略。最后，对相关研究现状进行了总结，并对未来研究方向进行了展望。相关研究成果以“Mechanism of Friction Enhancement Induced by Nanoscale Liquid Film—A Brief Review”为题，发表在力学期刊《Acta Mechanica Solida Sinica》上。

宏观尺度上，接触界面可视化是研究界面水对粘附和摩擦影响的重要技术，它可以表征接触界面上的实际接触面积、接触轮廓和液膜厚度。一般来说，接触面可视化通常是通过光学原位装置来实现的，例如由运动系统、传感器测量系统和光学系统组成的光学原位摩擦计。光学系统通过同轴光学观测、全内反射和干涉法三种（图1）不同的途径提供了实际接触面积的测量。与前两种方法相比，干涉法通过单色光呈现接触图像，将空间分辨率从微米级提高到纳米级。总的来说，这三种方法都呈现了不同光强的接触区和非接触区，可以通过数字阈值技术进一步区分。

中国科学技术大学近代力学系博士后高天燕为第一作者，张忠教授与汪国睿教授为共同通讯作者，博士生陈心安为该研究的资料整理和手稿撰写提供了帮助。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学技术大学青年创新重点基金以及中国科学院青年创新促进会等基金项目的资助。