交替电流诱导动态电子密度重分布实现纳米尺度摩擦磨损协同调控

为解决纳米器件中高接触压力下的摩擦磨损难题，清华大学团队通过导电原子力显微镜（c-AFM）实验，发现1kHz交替电流可使Ir/Gr/Ni界面摩擦力降至1/4，并在9.1GPa压力下维持70,000秒无磨损。研究提出PTT-E模型揭示电子密度重分布对势垒跨越的调控机制，为纳米机电系统（NEMS）可靠性提升提供新策略。

　　

摩擦现象伴随人类文明发展数百年，从达芬奇时代到现代纳米技术，控制摩擦始终是科学界的重要课题。尤其在微纳机电系统（NEMS）和机器人领域，摩擦直接影响器件寿命与能源效率。传统方法通过机械振动或热激活调节原子运动实现减摩，但存在频率匹配苛刻、高电压需求及机械疲劳等问题。更关键的是，如何通过界面电子特性调控进一步降低摩擦仍是未解之谜。

清华大学联合云南贵金属实验室团队在《Nature Communications》发表研究，创新性地利用交替电流诱导动态电子密度重分布，实现了纳米尺度下摩擦与磨损的协同控制。研究人员采用导电原子力显微镜（c-AFM）技术，结合密度泛函理论与非平衡格林函数（DFT+NEGF）计算，构建了包含电激活的PTT-E摩擦模型。通过Ir涂层探针与石墨烯/Ni基底（Ir/Gr/Ni）的界面实验，发现1V/1kHz交替电流可使摩擦力降低75%，并在9.1GPa超高接触压力下持续20小时无磨损。

关键技术包括：1）c-AFM原位测量交替电流下的横向力与电流分布；2）JKR模型计算9.1GPa接触压力下的接触半径（5.4nm）；3）DFT+NEGF量化界面电荷重分布与原子力扰动；4）建立PTT-E模型解析电激活减摩机制。

主要结果
摩擦和磨损减少由交流电引起
在750nN载荷下，1kHz交替电流使Ir/Gr/Ni界面摩擦降至无电流时的1/4。原子级横向力图像显示，每个原子级黏滑周期的最大侧向力显著降低。9.1GPa压力下持续70,000秒的耐久性测试表明，交替电流组未出现石墨烯磨损，而对照组25,000秒后即发生明显磨损。

交流电下摩擦的影响因素
摩擦力随电压振幅增加呈三段式变化：<0.35V时无显著变化，0.35-1V区间线性下降，>1V后趋于稳定。滑动速度影响最佳减摩频率，2nm/s时700Hz效果最佳，而1000nm/s时需更高频率。不同材料界面（Ir/Gr/Cu、Ir/h-BN/Au）均呈现减摩效应，且与界面电导率正相关。

摩擦减少的机制和理论模型
DFT计算揭示交替电流引起界面电荷密度波动（Δρ），导致Ir原子受力扰动（ΔF_E）。基于此提出的PTT-E模型显示，电荷重分布诱导的位移扰动（Δx）促使系统提前跨越滑动势垒（U₀=2eV），使黏滑事件提前发生（从0.05s提前至0.03s），从而降低最大侧向力。

摩擦模型的验证
PTT-E模型成功预测：1）减摩效果随电压振幅增强；2）最佳频率与滑动速度呈正比；3）导电界面（Ir/Gr/Ni）的ΔF_E比绝缘界面（Ir/h-BN/Au）高1个数量级。当交替电流频率（f）低于"洗衣板频率"（v/a）时，每v/(a·f)个黏滑周期激活一次扰动；f≥v/a时则每周期至少激活一次有效扰动。

这项研究突破了机械振动减摩的局限，首次通过电子层面调控实现纳米尺度超低摩擦。其意义在于：1）提出无需机械形变的电激活减摩新机制；2）9.1GPa高压下的耐久性为NEMS实用化提供解决方案；3）PTT-E模型为摩擦电子学提供量化工具。正如作者Tian-Bao Ma所述，该方法避免了传统机械振动的疲劳问题，为虚拟现实触觉反馈、机器人抓取等应用开辟了新途径。