新發(fā)現！科學(xué)家揭示了界面增強—減弱和吸附模式轉變的力學(xué)機理

3月31日，科技日報記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校工程科學(xué)學(xué)院鄭志軍研究組發(fā)現物體表面粗糙度可以改變接觸界面的強度和吸附模式，并揭示了界面增強—減弱和吸附模式轉變的力學(xué)機理。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《固體力學(xué)與物理雜志》上。

在微納米尺度下，材料的表面形貌和表面相互作用極大地影響了材料的吸附接觸行為，發(fā)展吸附接觸力學(xué)理論對生物力學(xué)、微納米機電和原子力顯微鏡等眾多領(lǐng)域都具有重要的基礎意義。自然界中許多現象與粗糙表面吸附接觸問(wèn)題密切相關(guān)，如昆蟲(chóng)吸附在物體表面、壁虎在墻壁上行走等。理想光滑表面并不存在，實(shí)際表面都是粗糙的，表面粗糙度對材料吸附行為的影響存在著(zhù)持久性爭議，力學(xué)機理尚不明晰。

針對上述問(wèn)題，研究團隊通過(guò)建立粗糙表面變形與相互作用的自洽方程，發(fā)展了完全自洽模型。在編制的計算程序中，從根本上解決吸附自洽方程中積分項所存在奇異性問(wèn)題的同時(shí)，采用弧長(cháng)控制法、自適應網(wǎng)格和牛頓迭代法等技術(shù)解決了數值求解的困難，獲得了高精度的數值計算結果。

研究人員發(fā)現，隨著(zhù)粗糙度的增加，界面強度先增大后減小，吸附模式從簡(jiǎn)單接觸轉變?yōu)槎帱c(diǎn)接觸。研究人員進(jìn)而建立了吸附模式分區圖，給出了界面增強—減弱的臨界粗糙度，并揭示了吸附增強-減弱的力學(xué)機理。當表面粗糙度較小時(shí)，在拔出過(guò)程中接觸區內出現起伏狀壓強分布，使得拔出力增大;而當表面粗糙度較大時(shí)，由于粘著(zhù)應力存在上限，在拔出過(guò)程中局部界面出現空化，形成吸附屏蔽區，使得拔出力減小。(記者吳長(cháng)鋒)

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關(guān)鍵詞： 界面增強 吸附