来源：弗莱堡大学（University of Freiburg）

不同材料的表面总是发生具有相同统计特性的表面粗糙度 Credit: AG Pastewka

大多数自然和人造表面都是粗糙的：肉眼看起来光滑的金属甚至玻璃在显微镜下看起来像参差不齐的山脉。目前还没有统一的理论来解释这种粗糙的起源，尽管它存在于从原子到构造的所有尺度上。科学家们怀疑，粗糙的表面是由不可逆的塑性变形形成的，这种不可逆的塑性变形发生在许多机械加工部件的过程中，例如铣削。弗赖堡大学微系统工程系模拟小组的Lars Pastewka博士和他的团队在计算机模拟中模拟了这种机械载荷。研究人员发现，由不同材料制成的表面，显示出不同的塑性变形机制，总是发展出具有相同统计特性的表面粗糙度。他们在《科学进展》杂志上发表了他们的研究成果。

像山脉这样的地质表面是由机械变形造成的，然后导致断裂或磨损等过程。Pastewka解释说，合成表面通常要经过许多成形和精加工步骤，例如抛光、研磨和研磨。大多数这些表面变化，无论是自然的还是合成的，都会在最小的原子长度尺度上导致塑性变形：“即使在玻璃等大多数脆性材料的裂纹尖端，也存在一个有限的加工区，在这个区内，材料会发生塑性变形，”弗赖堡的研究人员说这些最小尺度上的粗糙度很重要，因为它控制着两个表面压在一起时的紧密原子接触面积，从而控制着接触表面的粘附性、导电性和其他功能特性。”

与卡尔斯鲁厄理工、瑞士洛桑工业技术和美国桑迪亚国家实验室的同事合作，由欧洲研究理事会（ERC）资助，Pastewka和他的小组能够在JUQUEEN和JUWELS超等计算机的Jülich超等计算中心模拟3个参考物质系统的表面形貌，其中包括单晶金、镍、铁和钛的高熵合金以及金属玻璃铜锆，原子不形成有序结构而形成不规则图案的。这三种材料都具有不同的微观力学或分子性质。科学家们现在研究了变形的机理以及由此引起的固体内部和表面原子尺度的变化。

帕斯特沃卡也是卓越生活、适应性和能量自主材料系统（livMatS）集群的成员，他和他的团队发现，尽管这三个系统的结构和材料性质不同，但在压缩时，它们都会形成具有所谓自仿射地形的粗糙表面。这意味着，无论在何种尺度上观测，这些系统都具有相同的几何结构：纳米尺度的虚拟显微镜中的表面形貌与千米尺度的山地景观结构无法区分。”“这是一个解释，”巴斯特克说，“为什么在实验中观察到表面粗糙度的几乎普遍结构。”

更多信息：

Adam R. Hinkle et al. The emergence of small-scale self-affine surface roughness from deformation, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax0847

Journal information: Science Advances

原文链接：https://phys.org/news/2020-02-surface-roughness-atomic-deformation-solid.html

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