东南大学陈云飞教授课题组  摩擦耗能领域重要进展

东南大学陈云飞教授课题组|摩擦耗能领域重要进展

摩擦的探索一直伴随着人类文明的发展，而如何深入地理解从而更高效地利用与控制摩擦一直是科学家和工程师们关注的焦点。东南大学陈云飞教授领导的研究团队在摩擦耗能领域取得了令人瞩目的进展，为我们重新认识摩擦力的本质提供了全新的视角。

挥别蛮荒 ｜ 摩擦引领文明之光

摩擦生火标志着人类告别了茹毛饮血的蛮荒时代，进入了现代文明。由两个物体相对运动引起的摩擦力被认为是一种耗散力，将机械动能转化为不可逆的热，这一过程在全球能源消耗中占据了约三分之一。然而，长期以来，我们对摩擦的认识一直局限于文艺复兴时期的摩擦三定律，随着测量仪器精度的提高，这些定律的普适性逐渐受到了质疑。

新观点 ｜ 界面力不是耗散力

在国家自然科学基金的支持下，陈云飞教授的团队经过二十多年的深入研究，发现传统观点中的界面力并非真正的耗散力。相反，界面相互作用力是一个机械能守恒的过程，将机械动能转化为弹性体的弹性势能。这种势能在整个弹性体内不断累积，直至超过特定阈值，然后以声子的形式释放出部分势能。与传统认知不同的是，能量耗散并非仅发生在摩擦界面，而是涉及整个弹性体，可用等效的材料阻尼进行描述，最终通过声子的形式释放。

声子摩擦模型 ｜ 预测摩擦力的新工具

研究团队基于新的理论框架和原子力显微镜的实验结果，从理论上推导出摩擦过程的阻尼力与弹性体的振动速度成正比，证明了传统模型中假设阻尼力与两个物体相对运动速度成正比是错误的，在此基础上，提出声子摩擦模型，成功预测了摩擦力显微镜测量的摩擦力，并得到了分子动力学仿真模型的验证。这一模型不仅改变了我们对摩擦力的传统认知，还成功解释了长期以来困扰人们的一些摩擦学现象，如地震时摩擦力速度弱化问题以及摩擦力对弹簧刚度的依赖性。

论文发表 ｜ 为科学贡献新力量

这一研究成果以“滑动摩擦过程中阻尼的重新审视（Reexamination of Damping in Sliding Friction）”为题，于2024年2月2日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表（论文链接https://10.1103/PhysRevLett.132.056203）。论文的第一作者为黄书玉博士生，魏志勇副教授、段早琦博士和孙承栋博士生为合著作者，通讯作者为东南大学陈云飞教授和美国范德比尔特大学的Deyu Li教授。

量子场论框架下的创新 ｜ 陶毅博士的探索

陶毅博士从多体理论出发，利用原子格林函数方法建立了摩擦系统微观表象下声子动力学模型。通过系统的哈密顿量实现了对摩擦力与摩擦激励声子的预测，成为首个量子场论框架下的量子摩擦模型。这一理论框架的提出标志着人们对摩擦耗能理解范式的转变。陶毅博士的研究成果以“Phononic dynamics in sliding friction”为题，发表在《物理评论B》（Physical Review B）上。

探测与调控声子｜ 陈云飞教授的研究方向

摩擦和声子输运的主动调控是陈云飞教授的主要研究方向，探索摩擦过程中的能量耗散机理以及通过调控声子干预能量耗散过程，实现对摩擦力、机械振动噪声和热量输运的主动调控。该研究方向有教授1名，副教授4名，博士后3名，相关成果发表在Nature, 615 (7950), E1-E2（2023）， Science, 382 (6676), 1265-1269（2023）， ACS Applied Materials & Interfaces 15, 45516-45525 (2023)，Friction 11, 966-976(2023)， Nano Letters 21, 4615-4621 (2021)，Journal of Applied Physics 127, 015105 (2020)，Nano Letters 15, 4704-4712 (2015)等国际期刊上。研究成果得到国家自然科学基金（52035003,52127811, 52175161, 51705074, 51575104，59805003）、国家重点研发计划、江苏省博士后基金和唐仲英基金会等的支持。

结语 ｜ 新认知推动科技进步

团队系列研究成果标志在摩擦学领域取得了显著突破，将捉摸不定的摩擦力变为可预测，为摩擦力的主动控制提供了理论模型，也为摩擦过程的能量耗散机制带来了全新的认识。为设计高效率、低耗能的机械装备和器件提供了理论工具。

主要研究人员介绍

黄书玉博士生

黄书玉，2017年获西南交通大学工学学士学位，东南大学在读博士研究生。研究方向，纳米摩擦学及扫描探针显微镜。

魏志勇副教授

魏志勇，东南大学副教授，博士生导师，主要研究方向为机械摩擦学与表界面技术，研究方向：机械结构摩擦减阻、防热散热、减振降噪等。主持国家自然科学基金青年项目和面上项目，以第一作者或通讯作者在Nano Letters、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces、Friction等期刊发表学术论文30余篇，Google Scholar 引用1300余次，获2018年度国家自然科学二等奖、2016年教育部自然科学一等奖、唐仲英基金会“仲英青年学者”、江苏省优秀博士论文获得者、中国机械工程学会高级会员、教育部硕士/博士学位论文评审专家、国家自然科学基金通讯评审专家。

段早琦博士后

段早琦，博士，现为东南大学助理研究员、江苏省卓越博士后，2021年获东南大学博士学位。主要从事原子尺度下的声子摩擦、结构润滑等方面的研究工作。目前主持、参与国家级/省部级各类项目4项，在Nano letters, Friction, Physical Review B等期刊上发表SCI论文10余篇。

孙承栋博士生

孙承栋，本科就读于东南大学机械工程学院，目前在东南大学陈云飞教授课题组攻读博士学位。研究方向：纳米摩擦学。

陶毅博士后

陶毅，博士， 2014年、2021年分别获得东南大学工学学士和博士学位。现为东南大学至善博士后、助理研究员，入选江苏省卓越博士后计划。研究方向：声子摩擦、电子摩擦和电声子输运理论。主持国家/省部级/局厅级各类项目4项，在Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Functional Materials, Physical Reviewer Letter, Materials Today Physics, Nano letters等期刊上发表SCI论文30余篇。

陈云飞教授

陈云飞，东南大学首席教授，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者奖励计划特聘教授。主要从事摩擦学、微纳制造方面的研究工作。做为第一负责人主持完成国家自然科学基金7项，其中6项被评为优，江苏省自然科学基金3项、863 MEMS重大专项1项、国家重大基础研究计划1项。目前主持国家自然科学基金重点项目和仪器项目各1项。获国家自然科学二等奖1项、省部级奖多项。在Nature、Science、Nature Nanotechnology、PRL、PNAS、JACS、Nature Communications、Nano Letters等国际学术刊物发表SCI论文100多篇。