单智伟研究团队在原位透射电镜摩擦技术的研发及应用上取得突破

huanping

利用透射电镜中的高强度磁场，西安交大材料学院单智伟研究团队发明了由洛伦兹力驱动的原位透射电镜摩擦技术并探究了亚微米尺度接触最大摩擦力的物理机理。
       透射电镜中的磁场强度高达2T（为地表磁场的上万倍），通常被认为不利于材料的表征，尤其是磁性材料。受洛伦兹力工作原理的启发，单智伟研究团队博士生陆焕焕利用电镜的强磁场，破解了在电镜中实现摩擦测试所需横向可控位移的难题，创造了揭示摩擦领域最基本问题，即单粗糙峰摩擦机理的利器。该技术已获得国家发明专利授权（ZL201711411793.6）。该技术的应用和推广有望破解摩擦领域的一系列基础难题，开辟一个新的关于摩擦的研究领域。

       摩擦与我们的日常生活紧密相连，且由摩擦引起的磨损会造成工程应用上的重大损失，甚至危及生命。调查表明，机械零件失效中由磨损导致的失效占比高达60-80%。尽管关于摩擦磨损的研究已有上百年的历史，然而人们对摩擦磨损的基本物理机制却所知有限。原因有二：首先，即便是宏观光滑的表面，在微观尺度也由无数随机分布在多个尺度的粗糙峰组成，很难建立精确的模型；其次，由于摩擦发生在界面处，很难在原子尺度对摩擦的物理过程进行直接的观察。但单智伟研究团队的发明为解决这一难题提供了新的工具，即通过将透射电子显微镜的高空间分辨率和原位摩擦技术相结合，来定量实时揭示界面的摩擦磨损机理。
       选取亚微米尺度的钨-银单粗糙峰接触为研究对象，单智伟团队探究了最大摩擦力的物理机理。传统认为，界面相对滑动标志着动静摩擦转变，对应着最大摩擦力。该研究却发现，当界面附近材料发生塑性形变时，相对滑动已然产生，然而摩擦力却能继续增加，直至界面失效时达到最大值。该研究表明最大摩擦力对应的物理机理为界面失效，而非传统认为的界面相对滑动。
       该研究以“A new approach of using Lorentz force to study single-asperity friction inside TEM”为题在学术期刊《材料科学技术》（Journal of Materials Science & Technology，IF = 6.155）上发表。西安交大材料学院博士生陆焕焕为论文的第一作者，西安交大材料学院单智伟教授，美国麻省理工学院李巨教授，西安交大材料学院王章洁副教授为论文的共同通讯作者，西安交大能动学院恽迪教授参与研究。研究工作得到了国家重点研发计划（2017YFB0702001）、国家自然科学基金（51971167）、国家外专局111计划等项目的支持。
        论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.12.044。

        文章来源：西安交通大学材料科学与工程学院
       单智伟，西安交通大学教授。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005 -2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron，并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，2010年正式加入西安交通大学。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，百千万人才工程入选者，亚太材料科学院院士。现任西安交通大学材料科学与工程学院院长。2010年正式全职回国后，先后筹建创立“微纳尺度材料行为研究中心”，“Hysitron中国应用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三个国际化研究中心和一个省级中心，即“陕西省镁基新材料工程中心”。学术任职包括国务院学位委员会第七届学科评议组（材料科学与工程组）成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，《中国材料进展》杂志副主编，2018美国材料学会期刊（MRS Bulletin）和《材料科学技术（英文版）》第五届编委会委员，中国电镜学会常务理事及聚焦离子束专业委员会主任，第四届国家新材料产业发展战略咨询委员会战略委员。