近日，郑州大学物理学院任晓燕副教授和李顺方教授团队依托国家超级计算郑州中心“嵩山”超级计算机的强大算力，在负微分摩擦系数纳米材料设计方面取得一系列新进展。该团队近年来首次发现二维铁电材料In₂Se₃公度同质结界面具有负的微分摩擦摩擦系数，研究成果发表在国际Top学术期刊，见Sun et al., Adv. Sci. 9, 2103443 (2022)；最近研究发现graphene/In₂Se₃非公度异质结界面存在随着压力增加摩擦系数呈现正-负周期性振荡变化的有趣现象，相关成果以Negative-Positive Oscillation on the Interfacial Friction of In₂Se₃-graphene Heterojunction为题，在线发表在国际著名物理类期刊《Phys. Rev. B》上，并对国家超级计算郑州中心致谢。

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。现代摩擦学对采用结构超润滑来减少摩擦和磨损非常关注，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：graphene/In2Se3二维材料异质结(a)能带结构, (b)在压力下界面之间电荷转移, (c)界面摩擦力（正比于Ebar）和摩擦系数μ。

针对以上问题，研究团队首先从能带结构上（图1a）预测：graphene/In2Se3二维材料异质结界面在层间相对滑移时，在外压力下摩擦系数可能会出现振荡现象，并被理论计算模拟所验证。

简单而言，graphene/In2Se3二维材料vdW异质结界面的能带结构在费米面附近是由graphene和In2Se3这两种二维材料的电子态所共同组成（图1(a)）；在外部压力逐渐增加下，体系层间范德华相互作用导致graphene所主导的pz轨道上升和In2Se3所主导的px/py轨道下降之间的动态竞争，并导致graphene和In2Se3两种组分在界面处出现电荷隧穿和转移，并随着压力增加而振荡（图1（b）），从而导致正-负振荡的摩擦系数(图1(c))。该工作有望在纳米器件和摩擦性能量子调控中具有潜在的应用价值。

该系列工作得到了国家自然科学基金，河南省科技攻关等项目的资助。