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，摩擦在这些系统中扮演着重要角色。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，根据经典达芬奇-阿蒙顿定律(f =µN)，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。

现代摩擦学中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，因此降低和调控摩檫力或摩擦系数是非常重要的一个科学问题。

郑州大学李顺方教授、单崇新教授与中国工程物理研究院激光聚变研究中心刘红杰研究员团队通过第一性原理计算，发现公度接触的二维范德华(vdW)磁性CrI₃同质结中存在奇异的负微分摩擦系数现象：在一定的压力范围内，滑动能垒随法向载荷的压力增加而减小。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界面滑动能垒。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，而且可能会在“slide-spintronics”这一新概念上激发起更多人的研究兴趣，有望在纳米摩擦学、纳米机械、纳米催化及其他与自旋电子学有关的纳米器件中具有潜在的应用价值。

图1双层CrI₃同质结的两种接触构型（(a),(b)R型；(d),(e)H型）、六条滑动路径（(a) R1、R2和R3；(d) H1、H2和H3）以及可能的两种磁矩排列（(g) FM 和 (h) AFM)）。

图2 R型与H型的首选滑动路径((a)R1和(c)H3)在不同压力的能量分布图以及沿(b) R型和(d) H型堆叠的六条路径的能量势垒。

图3路径R1((a)和(b))和H3((c)和(d))的层间和层内相互作用对能垒的贡献。(a)和(c)层间范德华相互租用和静电相互作用对能垒的贡献，分别为黑色圆圈和红色三角形表示；(b)和(d)层间结合能以及顶部和底部ML-CrI₃的层内变形对能垒的贡献，分别用蓝色方形和绿色圆表示。

图4沿R1路径滑移时，E_min和E_max状态下Γ点处价带与负载相关能量和波函数变化。(a)和(b) E_min和E_max状态下Γ点处价带的能量随负载的变化。(c) 不同负载时E_min和E_max状态中Γ点处价带的p_x+p_y和p_z轨道的权重。底部分别为E_min和E_max状态在外部负载N=0.10、0.20、0.35和0.45 eV/Å时的波函数。红色和蓝色分别代表波函数的α和β相。 

图5 沿(a)R1和(b)H3路径滑移时，层间结合能(黑色圆)和层内形变(红色圆圈)对E_bar的贡献。

李顺方， 教授，河南省特聘教授，2004年7月中国科学院固体物理研究所硕、博连读，获得博士学位。2004年7月到郑州大学物理学院（微电子学院）工作至今。其中，2006年3月至2006年6月到美国哈佛大学访问学习、2007年6月至2008年9月到英国伦敦大学大学学院做博士后研究、2010年4月至2012年6月到美国田纳西大学&美国橡树岭国家实验室做博士后研究。主要研究领域包括三个方面：1）低维材料生长机制、电子结构、物性和应用的第一性原理计算研究；2）高效、经济、功能型纳米催化剂设计；3）纳米尺度下的摩擦学。2013年获得河南省科技创新人才杰出青年基金支持，主持在研国家自然科学基金面上项目1项、主持完成国家自然科学基金2项、作为主要参与人参与完成国家自然科学基金2项、主持郑州大学物理学院物理学科推进计划重点项目1项。2021年获得河南省自然科学奖贰等奖一项（排名第一）。在包括Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. B、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际主流杂志上发表SCI论文60多篇。 

单崇新，郑州大学副校长、物理学院院长、教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者、中国青年科技奖获得者。主要从事宽禁带半导体光电材料与器件研究工作，已发表学术论文300余篇，主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目等。

刘红杰，中国工程物理研究院激光聚变研究中心研究员。2011-2012年在美国俄亥俄州立大学做合作研究。近年来主要从事激光聚变和等离子体物理研究，致力于新能源材料开发，发展了多种等离子体瞬态诊断技术，在激光等离子体研究中得到了重要的应用，授权发明专利多项。近年来主持和参与多项国家重大专项研究、国家自然科学基金多项，获得军队科技进步一等奖一项、三等奖一项。

刘坤，中国工程物理研究院激光聚变研究中心硕士研究生，本文第一作者。2018年硕士入学至今在李顺方老师与刘红杰老师的联合指导下从事二维材料纳米摩擦的研究工作。

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Kun Liu, Jiangtao Cheng, Xingju Zhao, Yandi Zhu, Xiaoyan Ren, Jinlei Shi, Zhengxiao Guo, Chongxin Shan^*, Hongjie Liu^* & Shunfang Li^*. Negative differential friction coefficients of two-dimensional commensurate contacts dominated by electronic phase transition. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4316-4.

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