摩擦現象的微觀解釋?

我們都知道要使一塊固體在另一塊固體表面上滑動，必須克服一最小阻力(靜摩擦力)。早在十八世紀時庫倫等人就知道，這個阻力和物體的重量成正比，而和接觸面積的大小無關。物理學界一個骯髒的小秘密是，雖然物理學家可以告訴你一堆有關夸克，似星體等奇異的學說，可是，到目前為止，關於上述的摩擦現象仍缺乏令人滿意的解釋。

標準的解釋是: 由於物體表面在微觀的尺度總是很粗糙的，因此，接觸的表面並沒有緊密貼合，實際接觸的面積應該遠小於肉眼看到的接觸面積。而且，就如車子載重量越大，輪胎接地面積就越大一樣，實際接觸的面積應和正向力成正比。所以，阻力和正向力成正比。問題是，不管是微觀的理論分析或是數值的模擬都沒法證實這種解釋。較早的研究發現，由於兩個表面間互相錯位的結果，使得相對滑動變得相當容易，所以幾乎不會有摩擦力。

最近，物理學家提出另兩種不同的解釋。一種解釋認為雜質(不同種類的原子團)的存在是關鍵。數值模擬發現，這些容易四處跑的雜質原子很容易陷在表面間的縫隙中，而將固體表面卡住。要使表面再度滑動必須越過這些雜質原子。所需要的力經計算是和物體重量成正比，而且，幾乎和目視的接觸面積無關。

另一個截然不同的解釋由德州大學的Gerde 跟Marder提出。它牽涉到剪應力造成的裂縫的自行癒合的機制。這個問題和剪應力有關，是因為推力的方向沿著表面而提供了剪應力，而表面間的空隙就是一種廣義的裂縫。研究發現，這種裂縫在”頭”的那一端(運動方向前沿)會有很大的應力扯開原子，而在尾端會自行癒合，所以裂縫會跑動。這個模型預測，啟動裂縫的最小應力大致和正向力成正比，一但施力超過這個極小值，就可以造成自行癒合的裂縫，而使表面相互滑動。這個重要的新解釋將會激發新的實驗設計，來驗證其是否為真，而讓我們對摩擦的微觀圖像有更深入的了解。

[本文摘自 D.A. Kessler, Nature, 413, 260 (2001)]