Development and application of a machine learning potential for diamond surfaces and their sliding interfaces with silicon nitride and silica: effect of passivation, orientation and load
本研究开发了一种反应性机器学习势函数，用于在超越第一性原理方法的尺度上模拟金刚石相对于氮化硅和二氧化硅的滑动，揭示了表面钝化、取向和载荷如何通过不同的剪切机制支配界面结合与摩擦。
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钻石以其作为已知最硬材料的特性而闻名于世，这一品质使其在切割工具、精密轴承以及移动计算机工厂中硅片的精密机械中具有不可估量的价值。然而，即使是这种坚不可摧的物质，在与其他材料摩擦时也会发生磨损，而磨损的速度完全取决于表面正在发生的变化。如果空气干燥或处于真空状态，钻石暴露出的碳原子会向与其滑动接触的材料伸出“触手”并紧紧抓取，形成强化学键，从而导致摩擦并最终撕裂原子。然而，在潮湿的空气中，水分子会分解并使钻石表面覆盖上一层由氢和氧基团组成的保护层，防止这些化学键的形成，从而使钻石能够平滑地滑动。准确理解这种保护机制如何运作，以及它在现实世界机械的巨大压力下如何保持稳固，一直是科学家们面临的一个难题，因为这些事件发生得太快，且涉及的原子数量过多，传统的计算机模型无法在有意义的时间跨度内进行追踪。
为了解决这个问题，博洛尼亚大学的研究人员开发了一种新型计算机程序，它充当了一个高度精确、超快速的原子相互作用模拟器。该系统并非使用标准物理学中缓慢且沉重的计算，而是通过对碳、硅、氮、氧和氢如何共同作用的数千个详细快照进行训练，学习了一套机器学习系统。该系统从高水平的物理数据中学习了“游戏规则”，使其能够以极短的时间预测这些原子的运动和成键方式。随后，团队利用这一新工具，观察了在各种条件下，钻石表面与一块名为氮化硅的硬质陶瓷材料相互滑动的过程。他们测试了四种不同的钻石晶面，其中一些是洁净干燥的，另一些则覆盖着由水衍生的保护涂层，并将它们以从轻微接触到高达 23 吉帕（约等于硬质钻石尖端切入较软表面的压力）的各种压力挤压在一起。
模拟结果显示，滑动表面的行为可以分为两类，这取决于钻石是否受到保护以及受压程度的高低。当钻石表面被氢和氧基团构成的保护层覆盖，或者当它是某种天然不易发生反应的特定钻石晶面时，两种材料在低压或中等压力下保持化学分离状态。在这种状态下，钻石和陶瓷就像在完美光滑的平面上滑行的两个刚性块一样，两者之间几乎没有形成化学键。摩擦力很小，磨损也极小，因为原子根本没有机会互相抓取。然而，随着压力的增加，力量变得足以突破这层保护屏障。在高载荷下，氢和氧基团被挤开或转移，使得钻石的碳原子能够与陶瓷中的硅和氮形成强力的化学桥梁。
一旦这些化学桥梁形成，滑动的性质就会发生彻底改变。不再是两个表面相互滑动，而是它们之间的键合强度超过了陶瓷材料本身。此时，摩擦不再发生在界面处，而是转移到了较软的陶瓷层中，陶瓷在应力作用下开始像粘稠的浆料一样流动和变形。研究人员发现，对于洁净、未受保护的钻石晶面，这种强力键合几乎在低压下就会立即发生，导致摩擦力跃升至一个由陶瓷易流动程度决定的高恒定水平。对于受保护的表面，摩擦力在压力达到临界点（即保护失效）之前一直保持在较低水平，一旦达到该点，摩擦力就会激增，达到与未受保护表面相当的高水平。
研究还表明，并非所有的钻石晶面都同样脆弱。一种被称为 Pandey 重构面的原子排列方式，天然地比其他晶面更具抗键合能力，即使在没有水衍生涂层的情况下也能在更高压力下保持受保护状态。相比之下，另一种 C(110) 取向的晶面具有高度反应性，容易形成键合，从而导致更多的磨损。团队发现，界面形成的化学键数量与产生的摩擦量之间存在直接联系：只要键合较为稀疏，摩擦力就会随着连接数的增加而稳步上升；但一旦界面完全键合，摩擦力就会趋于平缓，因为弱点已转移到了陶瓷材料本身。这项工作为环境条件和表面化学如何控制钻石磨损提供了一个清晰、定量的图景，解释了为什么这些材料在潮湿空气中与在干燥真空中的表现如此不同，并提供了一种强大的新方法，用于在不受旧方法限制的情况下，模拟和预测复杂工业应用中的磨损。
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