近日，西南交通大学前沿科学研究院王杨教授在国际知名期刊Tribology International 上发表了题为“Atomic-scale wear behaviors of iron oxide through the atom-by-atom attrition and plastic deformation of nano-asperities”（氧化铁在原子间的磨损行为: 纳米微凸体的磨损和塑性变形）的论文成果。Tribology International 是摩擦领域的顶级期刊，2023年度影响因子为6.2。

原子尺度的磨损与宏观尺度的磨损有着明显的区别，这引起了科学界的极大兴趣。我们之前提出了共价键材料的半经验磨损理论模型，该模型主要描述了界面键主导的原子尺度的磨损过程。为了评估该模型在其他材料类型上的适用性，本文选择氧化铁(Fe₂O₃)作为离子键材料的代表，并进行了大规模的原子模拟。模拟结果揭示了Fe₂O₃原子尺度上两种主要的磨损机制。至关重要的是，我们的模拟被证明在捕获原子间的摩擦磨损行为是有效的，从而证实了它对离子材料的有效性，并展现其对于更广泛的材料有效性的潜力。

研究要点1：全面揭示了Fe₂O₃的原子尺度磨损机制，一种是碰撞引起的纳米颗粒的塑性变形/裂纹，另一种是铁氧原子间的磨损。前者会形成大尺寸的磨损碎片，后者会形成原子团甚至单个原子的非常小的磨损碎片。

图1. Fe₂O₃原子尺度磨损机理示意图

研究要点2：对Fe₂O₃摩擦过程的磨损量进行了定量分析，总体而言，两种磨损类型的磨损量均随摩擦强度的增加而增加，且都与FN大致成正比，表现出线性依赖于载荷的类似阿卡德的行为。其中原子间磨损的磨损量略大于纳米颗粒塑性变形的磨损量。

图2. 磨损量与施加法向力FN的函数

研究要点3：通过界面键的形成和原子间的磨损的关系成功地证明了在Fe₂O₃离子材料体系中界面键模型的有效性。

图3. 自制Fe₂O₃摩擦系统界面键合模型有效性的验证

【小结】在这项工作中，我们通过大规模的反应MD模拟研究了自配Fe₂O₃ (一种典型的离子键材料)在粗糙表面接触中的原子尺度磨损机制。模拟结果表明，原子尺度磨损主要有两种类型:一种是由粗糙体碰撞引起的纳米粗糙体的塑性变形/裂纹，另一种是由界面键形成引起的原子间磨损。后一种方式的磨损量略高于前一种方式。此外，我们通过界面键的形成和原子间的磨损量来验证我们之前提出的界面键模型对Fe2O3磨损量的有效性，成功地证明了界面键模型可能适用于更广泛的材料(至少包括非晶碳的共价键材料和Fe2O3的离子键材料)，显示出作为通用磨损模型的巨大潜力。