2020年2月14日，德国弗莱堡大学的材料研究中心的 Lars Pastewka团队在国际顶级期刊《Science Advances》发表名为“The emergence of small-scale self-affine surface roughness fromdeformation”的文章，探究了不同尺寸材料表面的粗糙度基本相同的原因及机理。

研究预览：大多数天然和人造的材料表面都非常粗糙。关于粗糙的起源或自仿射性质的表面形貌，目前还没有统一的理论。造成粗糙度的一个可能因素是变形，变形是许多表面加工的基础，如断裂和磨损。利用分子动力学方法，对单晶金、高熵合金Ni36.67Co30Fe16.67Ti16.67和非晶Cu50Zr50的双轴压缩进行了模拟，结果表明均匀材料的均匀表面具有自仿射结构。通过表征基底变形，将表面的自亲和力与内部的空间相关性联系起来，给出了粗糙度随应变变化的尺度关系。这些结果为解释和工程粗糙度剖面开辟了道路。

随后《Nature》在其官网发表题为“Why surface roughness is similar at different scales”评论文章，就其研究方法、原理和结果发表见解。

文章介绍说几乎所有固体表面都是粗糙的。这种粗糙度的范围非常的广泛，大到千米高的山脉、小到原子级的碰撞。无论表面如何处理，都会出现粗糙度。关于这种粗糙度的产生原因，人们知之甚少，这意味着在不同的长度尺度，粗糙程度看起来都很相似。Hinkle 等人在《Science Advances》表明自仿射粗糙度是在原子水平上产生的。

正如曾经在湿地板上滑过的任何人都会注意到的一样，在实际情况下，表面的粗糙度起着至关重要的作用。光滑的表面在潮湿时会很滑。相比之下，我们在上漆之前先打磨表面以使其更粗糙，从而增加漆的附着力。在其他情况下，粗糙度的影响并不那么直接。例如，滑雪板和滑雪板表面的粗糙度会根据温度和湿度不同而对它们在雪地上的摩擦产生不同的影响。因此，工程师们开发了许多技术来控制表面粗糙度，如磨削、抛光等。

通过对三种材料进行计算模拟：一种完美的金晶体、一种合金和一种金属玻璃。这些材料的数量和无序类型都不同，这意味着粗糙可能会通过不同的机制发展或有不同的特点。因为材料的变形很可能导致粗糙度的形成，研究人员模拟压缩这些材料的块平面超过了它们的弹性极限，即在力的作用下导致不可逆（塑性）变形。由于研究人员所寻找的效应的长度尺度跨越了几个数量级，模拟必须相当大，包含数千万个原子。这样的模拟在计算上非常昂贵。

对包括金在内的三种材料的光滑块中的数千万原子进行了分子动力学模拟，观察了被压缩时表面粗糙度的变化。颜色表示垂直于表面的原子位置，相对于表面的平均高度测量：红色表示地势高；蓝色代表地势低。其最大的特点是在表面最低点之上的8.8nm处。该团队发现，在近两个数量级的长度尺度上，粗糙度的出现是相似的。类似的三角形特征和地形变化在a（直径80 nm的区域）和b （a区域扩大到原来大小的四倍）可以看到。

Hinkle和他的同事研究了模拟中所产生的粗糙度是如何随着被观察区域的大小增加而变化的。他们观察到，这三种材料的粗糙轮廓似乎遵循一个幂律——也就是说，它们确实表现出近两个数量级的自仿射尺度。

除了模拟数百万个原子之外，该团队还模拟了压缩变形的连续模型，在该模型中，材料不被视为由单个原子组成，而是被视为连续介质。在这些模拟中，没有自仿射粗糙度的迹象。因此得出结论，仿射粗糙度的发展与连续介质模型中缺失的塑性流动的原子尺度波动有关。

Hinkle及其同事的结果是令人信服的，但需要在三个数量级上证明粗糙度的尺度变化行为，以确认其遵守幂定律。这将需要将原子模拟扩展到更大的规模，并提供了原子模拟和连续模拟之间的联系。这些方法比Hinkle 等人使用的连续体模型更详细地考虑了流程，并允许增加原子细节和波动。

Hinkle及其同事研究的所有材料均基于金属。经历塑性变形后，它们都是均匀（材料中只有一种固相）且无序，并且原子位移涉及的动力学和能级都是可比的。看看其他具有不同可塑性和变形机制的材料（如聚合物）在压缩过程中是否也会出现类似的现象，这将是一件有趣的事情。如果粗糙度剖面可以扩展到包含一个或多个额外数量级，它将能够对尺度指数进行可靠的比较。这反过来又有助于确定这些指数是否随应变、变形机制甚至时间而变化。

幂律行为在塑性变形中很常见。例如，金属中的塑性变形“雪崩”，纤维材料中的幂律描述了材料在拉伸应力作用下塑性变形时雪崩的大小分布。基于Hinkle等人模拟的粗糙表面塑性变形，并在大量的模拟材料中观察无尺度粗糙度，自仿粗糙度和塑性变形的幂律行为事件似乎有一定的联系。因此，通过研究在压缩过程中粗糙度特征的形成，并将表面轮廓的变化与塑性联系起来，以一种更动态的方式研究粗糙度的出现是很有趣的。

研究总结：无论是多大的尺度，大多数表面都是粗糙的。仿真结果证实，当金属基材料的光滑块被压缩时，这种特性在原子水平上产生。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03952-zhttps://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaax0847