在单个芳香键上滑动摩擦与键级相关

为什么微小世界的摩擦很重要

每次你刹车、滑动屏幕或启动发动机时，摩擦都在起作用。然而，尽管它在日常生活中司空见惯，当尺度缩小到单个原子时，科学家仍难以预测和控制摩擦。本研究剥开了这一谜团，提出了一个看似简单的问题：当物体在单个化学键上滑动时，究竟是什么导致能量损失，我们能否通过改变键本身来调节这种损失？

逐键观察摩擦

大多数摩擦实验涉及粗糙表面和无数微小接触点，使得几乎不可能看清每个接触点发生了什么。在这里，研究人员改用了一个超灵敏的显微镜装置：一个尖端实际以单个原子收尾的探针被左右振荡地滑过表面。表面覆盖着在铜上有序排列的有机分子（PTCDA），既提供强共价键又提供较弱的氢键，形成明确的图案。通过在探针末端功能化单个一氧化碳分子，团队确保了滑动接触在化学上简单、稳定且在多次测量中可重复。

测量看不见的能量损失

当探针在键上来回摆动时，会像微小的扭转弹簧一样略微弯曲CO分子。当探针经过某个键时，CO可能会从键的一侧“弹”到另一侧。这种弹跳运动做机械功，并将有序运动转化为系统中的振动和其他激发——这就是以摩擦形式损失的能量。仪器追踪维持相同振幅所需的额外驱动力，并将其转化为每个周期耗散的能量的直接测量。重要的是，这种方法仅感应非常短程效应，探测每个键上方不到一埃范围内的势能景观。

相似键之间出人意料的差异

直觉可能会认为在相似的芳香碳—碳键上滑动会产生几乎相同的摩擦。但实验显示并非如此：名义上相似的C–C键在最大能量损失上几乎相差一倍。通常被认为较弱且分散的氢键，有时产生的摩擦与共价键相当。为了解释这些差异，团队使用了密度泛函理论（DFT）并结合基于机器学习的探针—表面相互作用模型。这些先进的模拟重现了测得的能量耗散曲线，并使研究者能够将摩擦直接联系到每个键的电子结构上。

将键级作为调控摩擦的旋钮

对于共价芳香键，模拟显示出一条明确的趋势：键级越高——意味着两原子之间共享的电子密度越多——当探针跨过它们时产生的摩擦越大。用化学的说法，键级反映了两原子之间结合的强度与多重性；在此处，较高的键级也意味着探针必须跨越的势能景观更“起伏”。这种更粗糙的景观在探针经过时增强了排斥，从而增加每次振荡损失的能量。氢键打破了这一模式。它们的键级较低，原子间几乎没有额外的电子密度，但它们引起的摩擦有时可与芳香键相媲美。在这种情况下，探针更多地与构成键的个别原子直接相互作用，而不是与两者之间集中的电子云相互作用。

从原子级弹跳到可设计的表面

通过将滑动摩擦与单个键的详细性质联系起来，这项工作提供了一种新的思路来设计具有定制摩擦性能的材料。工程师可以不再把摩擦视为粗糙表面的涌现属性，而是选择在表面放置哪类化学键以及哪种键级来提高或降低能量损耗。研究表明，即使是电子在原子间共享方式的细微变化，也能显著改变最小尺度上的摩擦，为未来原子精确的涂层与界面、纳米机器、传感器和低磨损材料铺开了道路。

引用: Nam, S., Hörmann, L., Gretz, O. et al. Sliding friction over individual aromatic bonds correlates with bond order. Nat Commun 17, 3694 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72128-x

关键词: 原子尺度摩擦, 化学键, 键级, 纳米摩擦学, 表面工程