[论文解读] Jamming, Friction and Unsteady Rheology

Mark O. Robbins|ArXiv.org|Dec 17, 1999

Force Microscopy Techniques and Applications被引用 9

一句话总结

本文研究了颗粒物质、分子玻璃和复杂流体中阻塞、摩擦与非稳态流变行为之间的关联。研究结果表明，静摩擦并非源于原子尺度的接触，而是由表面之间间隙中的‘第三类物质’——如薄液膜或颗粒物——的阻塞所引起，从而解释了宏观摩擦行为的普适性；当大应力克服阻塞时，非稳态的粘滑运动便会出现。

ABSTRACT

The connection between friction and jamming in granular media, molecular glasses, and complex fluids is explored. The paper first reviews the way friction is measured, the types of results that are observed, and what is known about the geometry of contacts between macroscopic surfaces. Then simple models for the origin of static friction are described. These are unable to explain the universal observation of static friction between macroscopic objects. The effects of surface roughness and chemical heterogeneity are discussed, and shown to yield exponentially weak static friction in our three dimensional world. In contrast, jamming of the "third bodies" that are present between most surfaces is shown to produce static friction that is consistent with macroscopic measurements. Experimental and simulation studies of jamming of molecularly thin fluid films are described and compared to studies of bulk glass transitions. The paper concludes by considering the unsteady stick-slip motion that often arises when systems become unjammed by sufficiently large stress. Different types of stick-slip motion are identified, and some of its origins are explored.

研究动机与目标

• 理解宏观系统中静摩擦的物理起源，该现象无法用传统的原子尺度接触模型进行解释。
• 解决一个悖论：即简单模型预测摩擦呈指数级微弱，与宏观上普遍观测到的强静摩擦相矛盾。
• 研究间隙中‘第三类物质’（如分子级薄液膜）的阻塞如何产生可测量且与宏观一致的静摩擦。
• 分析在外部应力作用下从阻塞态到非阻塞态的转变，特别是粘滑运动的出现。
• 比较薄层膜中的阻塞与体相玻璃化转变，识别跨尺度的共同动力学特征。

提出的方法

• 回顾测量固体表面间宏观摩擦及接触几何的实验与理论框架。
• 分析原子尺度接触的简单模型，表明其在三维中因指数级减弱而无法预测宏观静摩擦。
• 引入‘第三类物质’的概念——即间隙中的物质，如吸附层或颗粒物——其阻塞状态可产生稳健的静摩擦。
• 利用分子动力学模拟和薄液膜的实验研究，模拟阻塞转变，并与体相玻璃转变进行比较。
• 通过分析应力松弛及解阻塞后的间歇性运动，表征非稳态粘滑动力学。
• 在软物质中的阻塞与玻璃化转变之间建立类比，强调受限动力学与非平衡行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何宏观表面在原子接触处理论上预测为摩擦极弱，却仍表现出强静摩擦？
• RQ2 表面间间隙中的‘第三类物质’阻塞如何产生与宏观测量一致的静摩擦？
• RQ3 分子级薄膜中的阻塞与体相玻璃转变在异同点上有哪些？
• RQ4 当阻塞系统受到大应力时，何种物理机制会引发非稳态粘滑运动？
• RQ5 表面粗糙度与化学异质性如何影响阻塞转变及由此产生的摩擦响应？

主要发现

• 简单的原子尺度接触模型在三维中预测的静摩擦呈指数级微弱，与宏观观测相矛盾。
• 表面之间存在并发生阻塞的‘第三类物质’（如吸附层或颗粒物）可产生与宏观测量一致的静摩擦。
• 分子级薄液膜表现出与体相玻璃转变类似的阻塞转变，提示在受限软物质中存在共同的物理机制。
• 在大应力作用下解阻塞会导致非稳态粘滑运动，其特征为间歇性动力学，源于阻塞态中储存的弹性能量释放。
• 仅靠表面粗糙度与化学异质性无法解释宏观摩擦；相反，间隙物质的阻塞才是主导机制。
• 本研究提出一个统一框架，将摩擦、阻塞与软物质系统（从颗粒介质到分子玻璃）中的流变行为联系起来。