极端制造 | 原子级制造前沿：原子尺度摩擦|原子级制造|尺度摩擦|新型高温超导体|极端制造|纳米|量子

关注我们，金色开放获取

作者

权晨阳1, 刘海滨1, 凌家恒1, 詹天宇1, 张楠2, Otthein Herzog3,4, Ömer S. Ganiyusufoglu5 ，张宏刚1,*

机构

1. 北京工业大学

都柏林大学
同济大学
不来梅大学
青岛国际院士港

Citation

Quan C Y, Liu H B, Ling J H, Zhan T Y, Zhang N, Herzog O, Ganiyusufoglu; S, Zhang H G. 2026. Frontiers in atomic-level manufacturing: atomic-scale friction. Int. J. Extrem. Manuf.8062003.

免费获取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae9102

撰稿 | 文章作者

文章导读

#当制造精度进入原子尺度，传统摩擦定律是否依然适用？

面向原子及近原子尺度制造（ACSM），北京工业大学张宏刚教授研究团队联合都柏林大学张楠教授、德国不来梅大学/同济大学Otthein Herzog教授（德国工程院院士/中国工程院外籍院士）与青岛国际院士港Ömer S. Ganiyusufoglu教授（德国工程院院士）合作发表综述论文“原子级制造前沿：原子尺度摩擦”于制造领域SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上。

论文指出，到达原子及近原子尺度制造工况下，传统阿蒙顿-库仑摩擦定律不再普适。原子尺度接触仅涉及少量原子，不再满足宏观大量微凸体的统计平均条件，摩擦力不再严格正比法向载荷，与原子真实接触面积、晶格公度性密切相关，产生黏滑、超润滑、量子摩擦等特有现象；仅当界面缺陷丰富、微观行为形成统计平均时，才会近似呈现传统摩擦规律。文章系统梳理原子尺度摩擦模型、界面相互作用与能量耗散机制，总结二维材料、碳材料及半导体材料超低摩擦研究进展，并展望人工智能在摩擦领域的应用，为微纳与量子器件高可靠性设计提供理论支撑。

图1原子尺度摩擦：从基础理论到基于AI的预测性设计。

图文解析

图 2展示了该综述的框架结构。本文旨在系统地回顾原子尺度界面摩擦行为的最新进展。首先，第2节讨论了在微米/纳米尺度和原子尺度下影响摩擦行为的理论模型和机理，说明了在原子尺度下研究摩擦的必要性和重要性。随后，第3节介绍了超润滑材料系统，包括二维材料、碳基材料和半导体表面的处理，这代表了该领域原子尺度摩擦的前沿研究领域。第4部分集中于原子级摩擦表征和模拟方法的概述，包括AFM、TEM、Raman、MD和DFT模拟。第5节期待人工智能（AI）技术在原子尺度摩擦中的应用，旨在提高材料摩擦特性的预测精度和原子尺度计算机模拟的计算效率。第6节提供了原子尺度摩擦的总体概述，并强调了未来的发展方向。这篇综述为原子尺度摩擦行为的研究提供了新的见解，并激励研究人员开拓原子级制造创新理论与应用领域。

图2本文章结构框架。

图3展示了微纳米和原子尺度的摩擦模型和摩擦机制方面的根本区别。微纳米尺度模型，如PT、JKR和DMT模型，将界面处理为连续或准连续，强调弹性变形、粘附和粘滑动力学，以解释摩擦反应。相反，包括FK和FKT模型在内的原子尺度模型放弃了连续体假设，而是将原子视为离散单元，并结合了包括电子摩擦、声子激发和量子波动在内的量子效应来描述能量耗散。这些差异突出了多尺度方法的必要性，这种方法桥接了古典和量子力学描述，为理解所有长度尺度的摩擦提供了一个全面的框架。

图3微纳米与原子尺度的理论模型和摩擦机理总结。

图 4系统地总结了典型的超润滑材料系统。尽管有不同的实施方法，但这些系统共享一致的物理机制，从根本上削弱了界面处的周期性势场，并减少了有效剪应力和能量耗散过程。2D材料利用其层状结构，其特征在于强的面内共价键和弱的层间范德华力。通过晶格失配和非共价接触，它们显著地扁平了界面势能表面。在结构层面，它们能够抑制集体原子钉扎并保持稳定的滑动，从而在不同的环境中实现一致的低摩擦行为。这使得它们成为实现宏观超润滑性的主要发展方向。然而，它们具有挑战性的准备和对局部缺陷的敏感性仍然限制了广泛的工程应用。碳基材料主要通过界面化学调节和结构重新配置来实现低摩擦行为。例如，DLC和UNCD依靠氢或氧终止来钝化悬空键并减少界面粘合能量。CNT、OLC和FLC利用管状或球形外壳结构来诱导滚动接触或低剪切滑移。同时，它们在摩擦过程中形成低粘附性的碳基转移薄膜，动态地减少耗散途径。能够制备超薄、无损、功能性碳薄膜的高级制备策略对于后续的纳米尺度摩擦学表征越来越重要。虽然碳材料在真空和航空航天应用等高负载场景中表现出色，但其性能严重依赖于沉积界面结构，从而导致工艺一致性方面的挑战。缺乏固有分层结构的半导体材料（例如SiC和GaN）通过原子性平坦表面和各向异性势垒调谐来减少界面电势波动。它们的低摩擦主要来源于工程表面能量景观和高度可控的原子层去除过程，使它们适用于高能设备和军事部件。然而，它们带来了高成本和复杂制造的挑战。

图4各种超润滑材料的制备方法、摩擦性能、优势和局限性。

在纳米技术和材料科学快速发展的背景下，原子尺度摩擦涉及复杂的物理化学过程，并受到表面形貌、材料结构和外部环境等多种因素的共同影响。为揭示其微观机理，图 5系统总结了包括AFM、TEM和Raman在内的先进实验技术，以及MD模拟、DFT等理论研究方法。实验技术能够直接观测摩擦过程中的界面演化与结构变化，MD模拟提供了原子尺度摩擦行为的动态演化过程，而DFT计算则从电子结构层面揭示了界面相互作用和能量耗散机制。三者共同构建了原子尺度摩擦研究的多尺度分析框架。图19系统总结了这些方法在原子尺度摩擦研究中的应用、发展及局限性。然而，单一方法仍难以实现实验现象与定量机制之间的有效衔接。近年来，机器学习（ML）与多尺度建模技术的发展为实验数据、分子模拟和量子计算的深度融合提供了新的途径。ML模型能够构建高精度势能面和数据驱动哈密顿量，有效弥合经典力场与量子计算之间的精度鸿沟，实现跨尺度能量耗散和摩擦行为的高效预测，为原子尺度摩擦机理研究与性能设计开辟了新的发展方向。

图5原子尺度摩擦研究方法和工具。

总结与展望

图 6系统定义了原子尺度摩擦的未来研究方向，主张从追求超低COF转变为通过多维策略构建预测性、可设计性和故障感知的摩擦调节框架。核心工作包括通过耦合的原位AFM和多尺度MD-DFT建模来量化能量耗散，通过合理的接口设计来开发健壮的超润滑系统，以及采用数据驱动的ML辅助方法来形成可转移的设计原则。最后，这项研究有望发展成为一个接口物理学探针，用于确定实际的耗散和不稳定机制，将基础摩擦学与微/纳机电系统、超精密制造和量子器件工程联系起来，并逐步发展成为一个面向工程的学科。

图6原子尺度摩擦的未来研究方向。

作者与团队简介

北京工业大学微纳与原子级制造实验室专注于研究基于半导体技术的微纳与原子级制造的基础与应用开发。在高端应用方面，实验室专注于LIGA技术在微流控芯片、微纳光学（AR显示）和功能性微纳结构表面等领域的产业化。该团队旨在解决整个制造产业链中的关键科学和工程挑战。在基础研究方面，该团队专注于电化学原子级电铸复制技术、原子级电化学增材制造技术与原子层蚀刻技术，专注于攻克EUV光刻和天文望远镜X射线收集镜的原子级精度制造中的挑战，以及解决集成电路芯片TSV与TGV制造中的基础问题。此外，该实验室正在探索原子级智能制造的前沿领域，将人工智能与原子级制造相结合，加速原创技术的落地。

联系信息：张宏刚，北京工业大学

zhanghonggang0301@bjut.edu.cn

面向化学传感的原子级制造技术 | Atomic-scale manufacturing for chemical sensing

扫码获取全文

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子25.1，位列工程/制造学科领域第一。期刊分区表工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。入选2025年度世界一流科技期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

• 金色开放获取

• 提供绿色通道快速评审原创突破性成果

• 接收后24h内在线

• 免费全球化宣传推广

• 免费高质量图片编辑与规范化文献校对

专题征稿