本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
摩擦力既是我們日常生活的福音，也是禍根。正是這種力拖拽著您汽車的輪胎，使您需要使用更多的汽油才能繼續行駛。它也是使您的汽車能夠完全停止的力：沒有摩擦力，剎車就會變成死重。儘管我們大多數人在踩下剎車踏板時都認為摩擦力是理所當然的，但它的許多細節仍然是個謎。
最近的一項研究透過一次探測一個原子的摩擦動力學，幫助拓寬了我們的理解。科學家們使用一種稱為原子力顯微鏡的技術，測量了單個原子的方向如何在決定兩種材料之間摩擦力的強度方面起著至關重要的作用。“我們知道摩擦力具有方向依賴性——順著一個方向撫摸貓比逆著方向更容易，”德國雷根斯堡大學的傑伊·韋茅斯說。“但我們能夠清晰地測量原子水平的方向依賴性，並對其進行完整描述。”
摩擦力是抵抗一個物體相對於另一個物體滑動的力，並且通常隨著將表面壓在一起的力而增加。即使是看起來光滑的表面，例如木製桌子，在微觀尺度上也是粗糙不平的，所有這些微小的突起都會拖拽並卡住任何在其上滑動的物體的凹槽。原子鍵斷裂、形成並再次斷裂。這種運動使原子振盪，進而產生熱量。所有這些都會消耗系統能量，從而導致表面之間的運動減慢。當您沿著人行道行走時，橡膠鞋底中的分子會抓住水泥中的分子，從而抵抗您的運動。如果沒有這種阻力，您將根本無法行走——您的鞋子會在您邁出的每一步都向後滑動，就像您在模仿邁克爾·傑克遜的太空步一樣。
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雖然這種基本描述通常是正確的，即使對於邁克爾·傑克遜來說也是如此，但摩擦力的許多微妙之處仍然是神秘的。“我們有一些很好的高中公式，可以在許多基本情況下使用，”韋茅斯說。“但是我們非常不擅長接受兩個任意表面並說出摩擦力會是多少。” 這就是為什麼韋茅斯和他的同事們旨在更好地理解當一個原子與另一個原子摩擦時會發生什麼。“當您雙手相互摩擦並感覺到這種摩擦力時，您感覺到的是數百萬個原子之間的相互作用，”韋茅斯說。“但我們正試圖將其簡化到我們可以真正合理測量的最小物理系統——即一個原子與另一個原子摩擦。”
研究人員研究了塗有薄薄一層矽的微小鎢尖端滑過塗有氫的純矽晶體表面的情況。晶體矽呈原子對的形式，當尖端滑過它們時，原子對會來回搖擺。這種搖擺運動消耗的能量可以被認為是材料之間摩擦力的大小。研究人員發現，摩擦力在很大程度上取決於尖端是沿著原子對的方向拖動，還是在垂直方向上掃過。
“實驗上，這以前從未做過，”韋茅斯說。“人們已經探測了摩擦力的方向依賴性，但從未在單個原子水平上進行過。” 這些發現詳細刊登在9月18日出版的物理評論快報上的一篇論文中。
除了增加對摩擦力如何在基本水平上起作用的整體理解外，這項研究還可以幫助提高各種因摩擦而損失能量的機器的效率。“這種微觀的見解可能有助於最終將摩擦力從以前的經驗方法轉變為透過自下而上的理解摩擦力的起源，最終可以預測和控制滑動接觸中材料的特性，”賓夕法尼亞大學的菲利普·埃格伯茨和羅伯特·W·卡皮克（他們沒有參與這項研究）在一篇隨筆中寫道，該隨筆與美國物理學會發表的論文一同發表。“更好地理解摩擦力將有益於從地質斷層研究到汽車零部件或微機電系統磨損預測等各種應用。”