2020年2月14日，德國(guó)弗萊堡大學(xué)的材料研究中心的 Lars Pastewka團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》發(fā)表名為“The emergence of small-scale self-affine surface roughness fromdeformation”的文章，探究了不同尺寸材料表面的粗糙度基本相同的原因及機(jī)理。

研究預(yù)覽：大多數(shù)天然和人造的材料表面都非常粗糙。關(guān)于粗糙的起源或自仿射性質(zhì)的表面形貌，目前還沒有統(tǒng)一的理論。造成粗糙度的一個(gè)可能因素是變形，變形是許多表面加工的基礎(chǔ)，如斷裂和磨損。利用分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)單晶金、高熵合金Ni36.67Co30Fe16.67Ti16.67和非晶Cu50Zr50的雙軸壓縮進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明均勻材料的均勻表面具有自仿射結(jié)構(gòu)。通過表征基底變形，將表面的自親和力與內(nèi)部的空間相關(guān)性聯(lián)系起來，給出了粗糙度隨應(yīng)變變化的尺度關(guān)系。這些結(jié)果為解釋和工程粗糙度剖面開辟了道路。

隨后《Nature》在其官網(wǎng)發(fā)表題為“Why surface roughness is similar at different scales”評(píng)論文章，就其研究方法、原理和結(jié)果發(fā)表見解。

文章介紹說幾乎所有固體表面都是粗糙的。這種粗糙度的范圍非常的廣泛，大到千米高的山脈、小到原子級(jí)的碰撞。無論表面如何處理，都會(huì)出現(xiàn)粗糙度。關(guān)于這種粗糙度的產(chǎn)生原因，人們知之甚少，這意味著在不同的長(zhǎng)度尺度，粗糙程度看起來都很相似。Hinkle 等人在《Science Advances》表明自仿射粗糙度是在原子水平上產(chǎn)生的。

正如曾經(jīng)在濕地板上滑過的任何人都會(huì)注意到的一樣，在實(shí)際情況下，表面的粗糙度起著至關(guān)重要的作用。光滑的表面在潮濕時(shí)會(huì)很滑。相比之下，我們?cè)谏掀嶂跋却蚰ケ砻嬉允蛊涓植冢瑥亩黾悠岬母街ΑＴ谄渌闆r下，粗糙度的影響并不那么直接。例如，滑雪板和滑雪板表面的粗糙度會(huì)根據(jù)溫度和濕度不同而對(duì)它們?cè)谘┑厣系哪Σ廉a(chǎn)生不同的影響。因此，工程師們開發(fā)了許多技術(shù)來控制表面粗糙度，如磨削、拋光等。

通過對(duì)三種材料進(jìn)行計(jì)算模擬：一種完美的金晶體、一種合金和一種金屬玻璃。這些材料的數(shù)量和無序類型都不同，這意味著粗糙可能會(huì)通過不同的機(jī)制發(fā)展或有不同的特點(diǎn)。因?yàn)椴牧系淖冃魏芸赡軐?dǎo)致粗糙度的形成，研究人員模擬壓縮這些材料的塊平面超過了它們的彈性極限，即在力的作用下導(dǎo)致不可逆（塑性）變形。由于研究人員所尋找的效應(yīng)的長(zhǎng)度尺度跨越了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，模擬必須相當(dāng)大，包含數(shù)千萬個(gè)原子。這樣的模擬在計(jì)算上非常昂貴。

對(duì)包括金在內(nèi)的三種材料的光滑塊中的數(shù)千萬原子進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，觀察了被壓縮時(shí)表面粗糙度的變化。顏色表示垂直于表面的原子位置，相對(duì)于表面的平均高度測(cè)量：紅色表示地勢(shì)高；藍(lán)色代表地勢(shì)低。其最大的特點(diǎn)是在表面最低點(diǎn)之上的8.8nm處。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)度尺度上，粗糙度的出現(xiàn)是相似的。類似的三角形特征和地形變化在a（直徑80 nm的區(qū)域）和b （a區(qū)域擴(kuò)大到原來大小的四倍）可以看到。

Hinkle和他的同事研究了模擬中所產(chǎn)生的粗糙度是如何隨著被觀察區(qū)域的大小增加而變化的。他們觀察到，這三種材料的粗糙輪廓似乎遵循一個(gè)冪律——也就是說，它們確實(shí)表現(xiàn)出近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的自仿射尺度。

除了模擬數(shù)百萬個(gè)原子之外，該團(tuán)隊(duì)還模擬了壓縮變形的連續(xù)模型，在該模型中，材料不被視為由單個(gè)原子組成，而是被視為連續(xù)介質(zhì)。在這些模擬中，沒有自仿射粗糙度的跡象。因此得出結(jié)論，仿射粗糙度的發(fā)展與連續(xù)介質(zhì)模型中缺失的塑性流動(dòng)的原子尺度波動(dòng)有關(guān)。

Hinkle及其同事的結(jié)果是令人信服的，但需要在三個(gè)數(shù)量級(jí)上證明粗糙度的尺度變化行為，以確認(rèn)其遵守冪定律。這將需要將原子模擬擴(kuò)展到更大的規(guī)模，并提供了原子模擬和連續(xù)模擬之間的聯(lián)系。這些方法比Hinkle 等人使用的連續(xù)體模型更詳細(xì)地考慮了流程，并允許增加原子細(xì)節(jié)和波動(dòng)。

Hinkle及其同事研究的所有材料均基于金屬。經(jīng)歷塑性變形后，它們都是均勻（材料中只有一種固相）且無序，并且原子位移涉及的動(dòng)力學(xué)和能級(jí)都是可比的?？纯雌渌哂胁煌伤苄院妥冃螜C(jī)制的材料（如聚合物）在壓縮過程中是否也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，這將是一件有趣的事情。如果粗糙度剖面可以擴(kuò)展到包含一個(gè)或多個(gè)額外數(shù)量級(jí)，它將能夠?qū)Τ叨戎笖?shù)進(jìn)行可靠的比較。這反過來又有助于確定這些指數(shù)是否隨應(yīng)變、變形機(jī)制甚至?xí)r間而變化。

冪律行為在塑性變形中很常見。例如，金屬中的塑性變形“雪崩”，纖維材料中的冪律描述了材料在拉伸應(yīng)力作用下塑性變形時(shí)雪崩的大小分布。基于Hinkle等人模擬的粗糙表面塑性變形，并在大量的模擬材料中觀察無尺度粗糙度，自仿粗糙度和塑性變形的冪律行為事件似乎有一定的聯(lián)系。因此，通過研究在壓縮過程中粗糙度特征的形成，并將表面輪廓的變化與塑性聯(lián)系起來，以一種更動(dòng)態(tài)的方式研究粗糙度的出現(xiàn)是很有趣的。

研究總結(jié)：無論是多大的尺度，大多數(shù)表面都是粗糙的。仿真結(jié)果證實(shí)，當(dāng)金屬基材料的光滑塊被壓縮時(shí)，這種特性在原子水平上產(chǎn)生。

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https://www.nature.com/articles/d41586-019-03952-zhttps://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaax0847