根据经典的摩擦定律，固体接触的摩擦通常表现出对法向载荷的正依赖性。即从达芬奇的早期摩擦学研究到阿蒙顿定律，两个宏观物体之间的摩擦力F_f被认为与法向载荷F_N成正比，即F_f〜μFN，其中μ是摩擦系数（COF）。经典理论预测正COF，这意味着由于实际接触面积较大，摩擦力会随着法向载荷的增加而增加，以前大部分摩擦学系统的研究基本证实了这种总体趋势。但是，最近观察到了纳米级单粗糙接触的一些例外。在实验中，原子力显微镜（AFM）尖端与化学改性的石墨或涂有聚合物的表面之间的纳米级接触摩擦显示出增加（加载）和降低（卸载）法向载荷的差异。在加载过程中，通常认为摩擦会随着法向载荷而增加，而在卸载过程中会发现负摩擦系数（NFC）。此行为归因于针尖与样品在基材上的牢固粘附，这导致针尖缩回期间样品顶层的起皱和起皱。

近日，清华大学马明副教授报道了在不同温度下微尺度单晶异质结中负摩擦系数的实验观察。通过实验，研究人员观察到具有NFC的白云母云母表面上滑动的微型鳞片状石墨。

文章要点

1）石墨/云母异质结的界面由两个单晶表面组成，这两个表面在整个测量过程中具有恒定的实际接触面积。对于装载和卸载过程，COF值均为负，并且约为0.01。这表明NFC现象对加载具有鲁棒性。在室温（28°C）至150°C的温度范围内进一步观察到NFC。

2）通过广泛的分子动力学（MD）模拟，研究人员揭示了潜在的摩擦机制是水分子在界面处的协同且独特的重新分布，从而导致了受限的亚纳米级厚水膜的密度增加和结构更加有序。

B. Liu, J. Wang, et al, friction coefficient in microscale graphite/mica layered heterojunctions. Sci. Adv. 6, eaaz6787 (2020).

DOI：10.1126/sciadv.aaz6787

https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaaz6787?rss=1