如果没有这种叫做摩擦力的力，汽车就会滑出路面，人类就无法在人行道上大步前进，物品就会从厨房的柜台上摔到地板上。

即便如此，人们对分子尺度上的摩擦机理仍然知之甚少。

利用复杂的建模和计算机模拟，由约翰霍普金斯大学怀廷工程学院和克里格艺术与科学学院的博士后研究员领导的团队在分子和宏观尺度上研究了摩擦。该团队的研究结果发表在《ACS Nano》杂志上，不仅揭示了一般的摩擦，而且还可以为改进的假体设备和人工关节的设计提供信息。 

“摩擦令人困惑，因为它不受单一相互作用的控制，就像电荷之间的吸引;它产生于不同规模的过程的组合。在我们的工作中，我们试图将纳米世界和宏观世界联系起来，因为摩擦的一个特殊特征叫做老化，即当一个固体长时间停留在另一个固体上而不滑动时，将它们分开所需的力会增加。我们想找出原因。”Lucas Frérot说，他现在是Albert-Ludwigs-Universität's institute for microkrosystemtechnik的博士后研究员。

法国里昂中心École的摩擦学与动力学实验室(Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes)的研究小组成员此前进行了一些实验，详细描述了涂有脂肪酸(一种环保润滑剂家族)的表面的摩擦响应，但仅靠这些实验无法解释老化背后的现象。通过测量表面粗糙度和单分子厚的脂肪酸分子层的特性，约翰霍普金斯大学的研究小组能够在分子模拟中再现衰老过程。

团队成员、怀廷学院机械工程教授Jaafar El-Awady说:“我们的模拟让我们尝试了实验中不可能的事情，比如如果接触的表面在数学上是平的，会发生什么。”

他们发现老化的主要原因是表面粗糙度。事实上，根据Frérot的说法，没有粗糙度的模型根本没有老化。

“这令人惊讶，因为里昂团队测量的表面粗糙度非常小;地球表面最高的山和最深的谷之间的距离大约是一个脂肪酸分子的长度。”Frérot网站说。

研究小组得出结论，即使是如此小的粗糙度也足以阻止分子在整个表面上接触，让接触点边缘的分子自由移动。随着时间的推移，更多的分子相互接触，导致衰老。

虽然所发现的机制不是唯一可以解释摩擦系统老化的机制，但研究小组认为它可以应用于广泛的系统，在这些系统中，他们研究的链状分子(如脂肪酸)在表面形成保护层。

“这是关节等生物系统的情况，如果我们更好地了解这些系统，我们就可以设计出更好、更耐用的假肢。从更广泛的意义上讲，理解摩擦背后的物理原理对可持续系统的设计很重要。一些研究估计，全球约23%的能源消耗是由摩擦造成的。”Frérot说。

研究团队成员指出，这项研究中使用的模拟设计最初是由约翰·霍普金斯大学物理和天文系教授马克·罗宾斯(Mark O. Robbins)设想的，他于2020年去世。

埃尔-阿瓦迪说:“卢卡斯和我继续与我们的合作者一起推动模拟，以成功实现目标，并将其献给马克。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。