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近几十年来，通过原子力显微镜等实验工具，对原子粘滑摩擦的基本认识有了很大的提高(AFM)。在Prandtl-Tomlinson （PT）模型的框架内，可以从理论上描述和研究单个纳米尺度微凸体的粘滑物理特性。考虑热激活和反应速率理论的PT模型最有趣的预测之一是摩擦力随滑动速度呈对数增长，这与Amontons-Coulomb和黏着理论给出的摩擦定律不同。PT模型还预测粘-滑的另一个特征：一旦速度或载荷超过一定阈值，就会发生多次滑动。然而，实验中只发现了增加载荷时的多步滑移，并且摩擦不是速度的函数。这项研究中，原子摩擦的非单调依赖于AFM尖端在MoS2表面上的滑动速度。PT模型模拟分析证明这种非单调摩擦背后的多重滑移机制，模拟结果与实验观察定量一致。文章引用信息如下：Song Y, Wang J, Hinaut A, et al. Nonmonotonic Velocity Dependence of Atomic Friction Induced by Multiple Slips[J]. Physical Review Letters, 2024, 133(13): 136201.
文章的主要结论
ü 随着速度增加，原子尺度摩擦粘滑运动从单步滑动向多步滑动过渡；
ü 原子尺度摩擦粘滑运动从单步滑动向多步滑动过渡导致摩擦对速度的负依赖；
实验装置
在超高真空条件下，用AFM尖端在单层MoS 2上进行了滑动实验。Fig.1(a)显示了摩擦实验示意图。图1(c)和图1(d)显示了在5 × 5 nm2范围内单层MoS 2上测量的横向力的形貌和相应图像。表面的六方原子结构晶格常数为0.31 nm。
摩擦的速度依赖
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速度小于10nm/s，摩擦力随着速度的增加而增加（热润滑所致）；
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速度为10~100nm/s时，摩擦力随着速度的增加而降低（单步到多步滑移转变）；
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速度大于100 nm/s，摩擦力随着速度的增加而增加（粘滑被抑制导致）。
热润滑：随着温度的升高，尖端更容易克服能垒从而降低了最大横向力，如下图所示。多步滑移：如果一步滑移的距离为势能周期a，弹簧劲度系数为keff，则一步滑移导致的横向力降低为keff*a；两步滑移对应的横向力降低为2*keff*a，因此多步滑移降低了横向力的最小值。而摩擦力是横向力的平均值，因此，热润滑和多步滑移都会降低摩擦力。如果粘滑被抑制，考虑极限情况，即速度无穷大，横向力始终保持在最大值，滑动摩擦力增加。
多步滑移的实验和理论证据
多步滑移发生的相图（PT模型预测）
Fig.4给出了滑移步数与势能褶皱U0和速度之间的关系。n步滑动对应的PES的能垒与弹簧刚度的关系：
n取1，2，3，4，5步时，cn的值为1, 0.217, 0.128, 0.0913, 0.0709，对应的En的值为0.0537, 0.247, 0.418, 0.588, 0.758 eV。与Fig.4（a）中低速对应的En相等。在较高的速度下，模拟表明不同步数的滑动区域之间的边界弯曲到较小的En；这被理解为一种速度辅助效应：更高动能的尖端可以更有效地穿过能垒。因此，对于固定的En，滑移量随速度的增加而增加。这一预测与实验和模拟结果一致，见图3(c)。换句话说，达到相同滑移长度所需的障壁因动能而减小。
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