ナノトライボロジー
AFMやSTMなどの走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscoy、SPM)はナノトライボロジー研究に広く用いられている。STMは原子分解能が得られるため、清浄な導電性試料表面のモルフォロジーおよびトポロジーを測定する際にもっぱら用いられる。
原子間力顕微鏡(AFM)はトライボロジーを原理レベルで研究する上で強力な手段である。表面と探針との間の接触面が極めて微細である上、高度に洗練された運動制御機構と、原子レベルの位置測定精度を備えている。AFMの心臓部は鋭利な探針を備えたしなやかなカンチレバーである。探針は試料と接触する部分であるため、理想的には先端の断面が原子サイズでなければならないが、実際にはナノスケールである(半径10~100 nm)。ナノトライボロジーの分野では、AFMが垂直力と摩擦力をピコニュートンの分解能で測定するために広く使われている。
探針を試料表面に近づけると、先端の原子と試料とが力を及ぼし合い、相互作用の強さに比例するたわみをカンチレバーに与える。正または負の垂直力がはたらくと、カンチレバーは平衡位置から上または下に曲げられる。垂直力は以下の式で計算できる。
F normal = k Δ V / σ {\displaystyle F_{\text{normal}}=k\Delta V/\sigma }
摩擦力、すなわち相対運動を妨げる力は、通常アモントン=クーロンの法則(摩擦を参照)のような経験則に即して考えられるが、ナノスケールにおいてはこれらの経験則は妥当性を失う。一例として、アモントンの第二法則によれば摩擦係数は接触面積によらないはずである。しかし、物質表面は一般にアスペリティを持つため、真実接触面積はアモントンの法則がいう見かけの接触面積とは大きく異なっている。実際には真実接触面積を減らすことで摩擦を低減することは可能である。
AFMやFFMの探針は、試料表面をスキャンする間にポテンシャルエネルギーが低い(安定な)領域と高い領域を通過する。ポテンシャルの大小を決める要因の一つは原子位置、大きいスケールで言えば表面粗さである。熱の影響を考慮しないなら、探針にポテンシャル障壁を乗り越えさせる力は、探針を支持しているカンチレバーの復元力しか存在しない。このような状況ではスティックスリップ運動(英語版)が起きる。
ナノスケールでは摩擦係数はいくつかの条件によって変わる。例えば、小荷重領域では摩擦係数はマクロなスケールより小さく、荷重を大きくするとマクロな値に近づく。また温度や表面間の相対速度も摩擦係数に影響を与える。