机械运转时材料之间的摩擦会造成能量的损耗、工作效率降低及部件寿命缩短。据统计，全世界三分之一的能量以各种形式消耗在摩擦上，在自然资源日益匮乏和材料素化思想的大环境下，揭示摩擦耗能机制对于节约能源和资源具有重要意义。19世纪中叶，科学家指出金属材料摩擦能量主要以表层材料塑性变形的形式耗散。通常认为，金属材料沿着位错滑移系摩擦时摩擦耗能最低，即以密排面为摩擦平面、密排方向为摩擦方向时，金属摩擦系数达到最低值。

近日，南京理工大学纳米异构材料中心陈翔教授团队发现密排六方金属中沿着基面摩擦时，最低摩擦系数对应的滑动方向为易孪生方向，并非传统所认知的基面位错滑移方向，并揭示了位错运动和孪生分别对摩擦耗能的贡献差异，提出了一种“孪生辅助晶格重组实现低摩擦”的新物理机制，并将这一重要进展发表在金属材料学领域顶刊Acta Materialia上，题目为“Macroscopic low-friction via twinning assisted lattice reconstruction in magnesium” （原文链接）。我校纳米异构中心2021级博士生李勇为论文第一作者，纳米异构中心陈翔教授为唯一通讯作者。

纳米异构材料中心研究人员测量了密排六方结构纯镁单晶中沿着基面上不同滑动方向的摩擦系数(图1)，结合摩擦诱导微结构表征，发现在基面上垂直于a轴(位错滑移方向)滑动时呈现最低的摩擦系数，亚表层形成了由孪生辅助晶格重组的摩擦诱导微结构(图2)。然而在滑移方向(a轴)上摩擦系数较高，亚表层形成了大量<c+a>位错(图3)。结合原子尺度摩擦模拟和应变能分析，阐明了位错运动和孪生的能量耗散机制差异(图4)，发现低摩擦现象源于低能态的孪晶辅助晶格重组结构，而高能态的<c+a>位错容易提高摩擦阻力。基于实验和模拟结果，我们提出了密排六方结构金属中“孪生辅助晶格重组实现低摩擦”的新物理机制。