近日，我院凝聚态计算与理论物理研究所在负微分摩擦系数纳米材料设计方面取得新进展，课题组继近年来发现二维铁电材料In2Se3公度同质结界面具有负微分摩擦系数（Sun et al., Adv. Sci. 9, 2103443 (2022)）之后，在二维铁磁材料CrI₃新奇摩擦性能研究方面取得进展，发现该材料同样具有负的微分摩擦系数，相关成果以Negative differential friction coefficients of two-dimensional commensurate contacts dominated by electronic phase transition为题，在线发表在中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《Nano Research》上。论文第一作者为中国工程物理研究院和郑州大学联合培养硕士研究生刘坤同学，通讯作者为我院李顺方教授、单崇新教授和中国工程物理研究刘红杰研究员。

摩擦学是物理学中最重要的问题之一。从航空航天、军事领域、国家大科学装置，到芯片制造、精密科研仪器，摩擦在这些系统中无处不在。摩擦，在很大程度上决定着这些系统的寿命和性能。据统计，世界上近三分之一的能源是由摩擦消耗的；另外，很多机械装置需要通过摩擦力作为驱动力来工作。因此，研究人员一直在寻找和改进新的方法将摩擦带来的不利影响降至最低水平或根据需要调控摩檫力。

在宏观尺度上，根据500年前所建立起来的经典达芬奇-阿蒙顿定律(f = µ N)，摩擦力(f)随着法向载荷(N)的增加而增加，摩擦系数为正值(µ>0)。然而在微观尺度，摩擦力受到多种因素的影响，例如温度、表面粗糙度，滑动速度等，导致微观摩擦变得十分复杂。现代摩擦学大多采用结构超润滑来减少摩擦和磨损，其本质是由于晶格失配导致滑动过程中侧向力的有效抵消，从而实现极低的摩擦状态。然而超润滑的实现有赖于体系的非公度接触条件，一旦在滑移过程中非共度条件被破坏，层与层之间会倾向于旋转，体系在滑动时会锁定在一个较为稳定的状态，导致超润滑性会消失，因此降低和调控摩擦力是非常重要的一个科学问题。

图1：双层CrI₃界面之间的铁磁-反铁磁相变以及CrI₃层的p_x（p_y）和（p_z）电子态在外压力的转变对摩擦力的影响。

针对以上问题，研究团队设计出具有公度接触的二维铁磁材料CrI₃同质结，发现了负微分摩擦系数，即滑动能垒随法向载荷的增加而减小。研究揭示双层CrI₃的层间耦合在滑移过程中发生的铁磁-反铁磁相变可以显著降低摩擦力。此外，面内（p_x和p_y）和面外（p_z）波函数之间的相变主导了滑动势垒的演变，这是在外部负载下，体系层间范德华相互作用，静电相互作用以及上下两层CrI₃的层内形变之间存在的奇异相互制衡的结果。目前的发现不仅突破了超润滑性所需的非公度接触条件和经典达芬奇—阿蒙顿定律，而且可能会兴起“slide-spintronics”的新概念，有望在新型纳米结构的未来设计中发挥重要作用，并在摩擦学、纳米机械及纳米催化中具有潜在的应用价值。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-022-4316-4