表面粗糙度的來源：固體表面和內(nèi)部的原子變形
來源：弗萊堡大學(xué)（University of Freiburg）
不同材料的表面總是產(chǎn)生具有相同統(tǒng)計特性的表面粗糙度 Credit: AG Pastewka
大多數(shù)自然和人造表面都是粗糙的：肉眼看起來光滑的金屬甚至玻璃在顯微鏡下看起來像參差不齊的山脈。目前還沒有統(tǒng)一的理論來解釋這種粗糙的起源，盡管它存在于從原子到構(gòu)造的所有尺度上�？茖W(xué)家們懷疑，粗糙的表面是由不可逆的塑性變形形成的，這種不可逆的塑性變形發(fā)生在許多機械加工部件的過程中，例如銑削。弗賴堡大學(xué)微系統(tǒng)工程系模擬小組的Lars Pastewka博士和他的團隊在計算機模擬中模擬了這種機械載荷。研究人員發(fā)現(xiàn)，由不同材料制成的表面，顯示出不同的塑性變形機制，總是發(fā)展出具有相同統(tǒng)計特性的表面粗糙度。他們在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。
像山脈這樣的地質(zhì)表面是由機械變形造成的，然后導(dǎo)致斷裂或磨損等過程。Pastewka解釋說，合成表面通常要經(jīng)過許多成形和精加工步驟，例如拋光、研磨和研磨。大多數(shù)這些表面變化，無論是自然的還是合成的，都會在最小的原子長度尺度上導(dǎo)致塑性變形：“即使在玻璃等大多數(shù)脆性材料的裂紋尖端，也存在一個有限的加工區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，材料會發(fā)生塑性變形，”弗賴堡的研究人員說這些最小尺度上的粗糙度很重要，因為它控制著兩個表面壓在一起時的緊密原子接觸面積，從而控制著接觸表面的粘附性、導(dǎo)電性和其他功能特性。”
與卡爾斯魯厄理工學(xué)院、瑞士洛桑工業(yè)技術(shù)學(xué)院和美國桑迪亞國家實驗室的同事合作，由歐洲研究理事會（ERC）資助，Pastewka和他的小組能夠在JUQUEEN和JUWELS超級計算機的Jülich超級計算中心模擬3個參考物質(zhì)系統(tǒng)的表面形貌，其中包括單晶金、鎳、鐵和鈦的高熵合金以及金屬玻璃銅鋯，原子不形成有序結(jié)構(gòu)而形成不規(guī)則圖案的。這三種材料都具有不同的微觀力學(xué)或分子性質(zhì)�？茖W(xué)家們現(xiàn)在研究了變形的機理以及由此引起的固體內(nèi)部和表面原子尺度的變化。
帕斯特沃卡也是卓越生活、適應(yīng)性和能量自主材料系統(tǒng)（livMatS）集群的成員，他和他的團隊發(fā)現(xiàn)，盡管這三個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)不同，但在壓縮時，它們都會形成具有所謂自仿射地形的粗糙表面。這意味著，無論在何種尺度上觀測，這些系統(tǒng)都具有相同的幾何結(jié)構(gòu)：納米尺度的虛擬顯微鏡中的表面形貌與千米尺度的山地景觀結(jié)構(gòu)無法區(qū)分。”“這是一個解釋，”巴斯特克說，“為什么在實驗中觀察到表面粗糙度的幾乎普遍結(jié)構(gòu)。”
更多信息：
Adam R. Hinkle et al. The emergence of small-scale self-affine surface roughness from deformation, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax0847
Journal information: Science Advances
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-02-surface-roughness-atomic-deformation-solid.html
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