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固体界面摩擦性能第一性原理高通量计算平台

影响界面摩擦性能的因素是多方面的，主要包括界面性质、负载、服役环境、服役温度等。正是因为需要综合考虑各种因素来理解摩擦，从非常小尺度下的量子相互作用（界面的电子结构、吸附等）到大尺度下的宏观变量（负载、服役温度等），这使得摩擦学的研究几乎不可能没有计算机模拟技术的辅助。基于密度泛函理论的第一性原理方法DFT方法可以深入到量子尺度，从界面电子结构的角度理解摩擦[1-5]，被广泛的应用于摩擦性能的研究。然而目前，特定负载下固体界面摩擦性能的DFT计算尚未实现自动化和高通量，计算模型构建以及数据后处理浪费了科研人员的大量时间。通常要完整计算一个固体界面体系的摩擦性能，首先需要建立约500~1000个计算模型，然后准备DFT计算软件所需的输入文件，提交计算任务，计算结束后手动搜索每一个构型的总能，拟合能量与界面距离的关系，然后才能画出PES，最后在PES上寻找能量最低的滑动路径，计算摩擦力以及摩擦系数。整个过程人工操作耗费的时间约60小时。另外，科研人员多研究一个体系，耗费的时间就增加一倍。因此，非常有必要提出一个能够实现任意负载固体界面摩擦学性能高通量DFT计算方法。鉴于此，我们搭建了一个能够实现自动化建模、计算任务自动提交管理、智能化数据后处理——自动提取计算结果、拟合数据、绘制势能面、搜索最优滑动路径、输出摩擦力、摩擦系数的固体界面摩擦性能高通量DFT计算平台（图1），该平台通过并发-并行同时计算约1000个计算任务，实现了固体界面摩擦性能的高通量计算。我们以石墨烯/石墨烯滑动体系为例，测试了该平台的可靠性。结果表明，通过平台计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致，摩擦系数也与实验结果相符合，从而验证了平台的可靠性。该平台的使用极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间。