表面粗糙度的來(lái)源：固體表面和內(nèi)部的原子變形
來(lái)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(jì)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(lái)光滑的金屬甚至玻璃在顯微鏡下看起來(lái)像參差不齊的山脈。目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論來(lái)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(jī)械加工部件的過(guò)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(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)模擬中模擬了這種機(jī)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(jī)制，總是發(fā)展出具有相同統(tǒng)計(jì)特性的表面粗糙度。他們?cè)凇犊茖W(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(jī)械變形造成的，然后導(dǎo)致斷裂或磨損等過(guò)程。Pastewka解釋說(shuō)，合成表面通常要經(jīng)過(guò)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(wú)論是自然的還是合成的，都會(huì)在最小的原子長(zhǎng)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(gè)有限的加工區(qū)，在這個(gè)區(qū)內(nèi)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，”弗賴堡的研究人員說(shuō)這些最小尺度上的粗糙度很重要，因?yàn)樗刂浦鴥蓚�(gè)表面壓在一起時(shí)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(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事合作，由歐洲研究理事會(huì)（ERC）資助，Pastewka和他的小組能夠在JUQUEEN和JUWELS超級(jí)計(jì)算機(jī)的Jülich超級(jí)計(jì)算中心模擬3個(gè)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)。科學(xué)家們現(xiàn)在研究了變形的機(jī)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管這三個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)不同，但在壓縮時(shí)，它們都會(huì)形成具有所謂自仿射地形的粗糙表面。這意味著，無(wú)論在何種尺度上觀測(cè)，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(wú)法區(qū)分。”“這是一個(gè)解釋，”巴斯特克說(shuō)，“為什么在實(shí)驗(yàn)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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