摩擦是一种普遍存在的现象,从古到今摩擦理论一直是学者们研究探索的一个课题。古典摩擦理论认为,摩擦力和载荷成正比,并与接触面积无关。阿蒙顿定律的提出是对宏观摩擦理论的极大发展。随着实验条件和计算机水平的发展,科研工作者逐渐将目光聚焦于微观甚至是纳米尺度的摩擦研究。提出了多种微观摩擦理论,比较著名的有能量耗散机制,它认为滑动需要克服前进方向的能量势垒,势垒越大,摩擦力越大。但是势垒是如何影响摩擦性质的,或者说势垒影响摩擦的本质是什么?至今却仍然知之甚少。有学者提出滑动接触界面的电荷重新分布可能是其中一个原因。但是,始终缺少系统的量化的手段建立与势能的关系并因此预测摩擦性质。基于此,我们通过第一性原理,对多种摩擦体系进行系统的研究,探索摩擦与电荷转移,势能与电荷转移之间的本质关联。主要的研究内容包括以下几个方面:1.石墨烯纳米片中掺杂诱导的改性实现原子尺度的摩擦调节。作为典型的原子级薄的固体润滑剂,石墨烯得到了广泛的应用和研究。然而,工程应用中石墨烯缺陷的存在严重损害了其润滑性能。在这项工作中,我们从理论上报告了通过硼氮掺杂修复石墨烯缺陷并因此改善其摩擦性能的方法。结果表明,与掺硼的石墨烯相比,氮掺杂石墨烯拥有更好的掺杂效果,表现出更加优异的摩擦性能,这归因于由夹层之间的静电排斥力引起的较低的层间相互作用。我们还阐明了范德华和静电相互作用对不同掺杂物种的摩擦性能表现出特殊的分布比例。此外,通过观察不同掺杂体系的电荷转移,阐明了电荷引入的内在特性,这是影响原子尺度摩擦的本质原因。2.用直观的电荷密度波动面探索原子尺度摩擦理论。原子尺度的摩擦理论,甚至是超润滑性,都与层间电荷的再分配密不可分,但是缺乏建立两者之间潜在联系的桥梁。在这里,我们首先通过对一系列不同键合材料双层系统,包括金属键,共价键以及范德华键合,进行DFT计算,报告了一种能反映摩擦本源的量化的电荷密度波动表面(CDFS)。通过分析CDFS,发现控制摩擦的一个关键物理量是摩擦过程中层间的电荷密度波动。这种电荷密度波动面和势能面之间具有完美的反褶皱形貌特征,尤其是对于范德华键合材料,通过定义转换因子K可以实现CDFS与PES之间的相互识别。它们之间的组合研究能够从表观以及本质上对微观摩擦进行多方面的深入研究。3.原子尺度滚动摩擦理论:物理推导和DFT模拟的综合研究。我们对有关微观滑动摩擦体系的层间电荷转移机制已经有了很深入的研究,那么纳米尺度的滚动是否仍然和接触界面电荷转移有关联呢?使用DFT模拟以及一维PrandtlTomlinson(PT)模型产生的简化物理模型,我们研究了石墨烯基板上纳米管的原子尺度运动。这样的综合研究表明,纳米尺度的滚动和滑动表现出截然不同的摩擦行为。我们在滚动模式下发现了超滑现象然而在滑动系统中并未发现。通过势能面和电荷密度波动面的对比研究,还观察到了纳米管的滚动模式具有定向锁定特性,从而实现了完美的滚动过程。最后,我们阐明无论是滚动还是滑动决定微观摩擦性质的关键物理量是接触区域中界面电荷密度的变化。