从高中课本中，翻出一篇Science！

设计具有可控摩擦的材料界面

摩擦是我们日常生活中一个不太引人注意的因素，但它实际上在各种场合起到了关键作用。比如，它使我们能够在不滑倒的情况下行走，让我们建造的沙堡能够保持形状，还决定了我们头发的清洁程度。在骑踏板自行车时，摩擦提供的阻力也很小，但我们期望拉动刹车时能迅速停止移动。

尽管经过几个世纪的调查，仍然缺乏对摩擦的全面了解。例如，根据第一性原理预测给定干接触界面的摩擦力 F 值仍然遥不可及，这主要是因为表面的多尺度特征和接触相互作用的多物理场性质 。因此，一旦材料组合、固体形状、载荷条件、表面光洁度或环境条件发生任何变化，就必须进行耗时且耗费资源的实验测试来校准接触界面的摩擦行为。

此外，全球有20%的机器能耗被用于克服摩擦阻力。现今，我们对摩擦的控制策略源自于长达一个多世纪的工程经验，通常包括使用润滑油或润滑脂进行界面处理。在最新一期《Science》上，法国里昂中央理工学院Julien Scheibert课题组报告了合理设计界面摩擦特性的替代策略。他们的摩擦控制方法实现了可实时适应环境的表面。相关成果以“Designing meta interfaces with specified friction laws”为题发表在《Science》上。

作者表明，半径相同的小凸起构成了简单的构件，可以组合成摩擦元表面。通过在表面上使用许多这样的凸起并调整它们的高度分布，作者可以规定一个理想的、甚至是非线性的摩擦力，该摩擦力抵抗了推动滑动界面的外部负荷。

图1 设计策略流程图

表面形貌对摩擦力的影响早已为人所知。摩擦学的创始人之一查尔斯-奥古斯丁-库仑（Charles-Augustin Coulomb）在 1779 年写道："粗糙度"（asperities）是粗糙表面上的 "凸起"（bumps）的名称。表面形貌决定了两个物体实际接触的程度。因此，两个物体通常只在其形貌的最高点接触。随机界面的接触面积与外加载荷成正比增加，因为表面会变形以符合要求。摩擦力通常与接触面积成正比，这就是摩擦系数--摩擦力与法向力之比--恒定不变的原因。

随机粗糙度存在于所有自然和人造界面上，但要理解粗糙度对摩擦力的影响却很复杂，因为粗糙度是无尺度的；没有一个突出的长度尺度。为了实现控制，工程师们早已明确地在界面中引入了长度尺度明确的几何结构。例如，珩磨会产生沟槽，激光图案化会产生凹痕。虽然可以测量这些结构对润滑界面的影响，但对它们的功能作用还存在争议，这阻碍了具有所需特性的表面设计。

本文的凹凸金属表面也明确引入了长度尺度，但采用的是非常可控的方式，而且是针对非润滑接触。粗糙度、力学和化学性质对单个凸点摩擦特性的影响已在实验中得到证实，并被输入机器学习模型，用于设计由许多凸点组成的金属表面的总体响应。然后对凸起的高度分布进行优化，以获得所需的接触面积与法向载荷的函数关系，从而调整摩擦响应。通过对小尺度和凸起尺度响应的可控分离，作者可以对金属表面的摩擦响应进行 "编程"。

通过离散构件的几何形状和特性对材料行为进行编程的理念在超材料领域根深蒂固。工程科学家罗德里克-莱克斯（Roderic Lakes）于 1987 年提出了一种由重复的相同单元组成的材料，这种材料能够模仿某些泡沫中观察到的不寻常的辅助行为。单元格的几何形状决定了整个超材料的宏观行为，从而实现了对结构和特性之间关系的控制。

摩擦超界面

随着时间的推移，由单个单元构成的超材料逐渐演变成在单个超材料中结合了不同几何形状和特性的单元的结构。就像超表面一样，这种超材料具有凹凸而非单元格，通过内部组织，可以产生特定的复杂机械响应。经典的超材料可被视为凝固在时间和空间中，在制造后无法改变行为。相比之下，利用可改变的几何形状构建单元格，可以在同一种材料中编码多种结构-性能关系，并根据需要在这些关系之间进行切换。这种超材料可能依靠屈曲、刺激响应材料或机电致动器来触发重新编程，以调整机械行为。

在超材料界面中嵌入此类活性元素，可实现摩擦控制并促进摩擦适应性。事实上，这种可重构界面的简单形式已经实现，可用于控制润湿性。摩擦自适应性将有许多应用，如带有触觉反馈的触摸显示器。目前控制摩擦的尝试主要围绕电化学或电粘合。元界面方法将取代化学方法，因为它不仅能控制简单的摩擦力，还能控制摩擦力与法向载荷的整个非线性关系。主要的工程挑战将围绕可靠性展开，因为摩擦通常伴随着磨损。活性元件的微型化也将是一个挑战，但微型系统或刺激响应材料都可能为此提供解决方案。实现摩擦控制的道路崎岖不平，但前景光明。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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