新研究推翻阿蒙顿定律中国科学报

近日，由香港科技大学综合系统与设计学部助理教授顾红曰领衔的国际跨学科研究团队，在摩擦学领域取得一项颠覆性突破成果，成功颠覆了300年来人类对摩擦现象的传统理解。相关成果发表于《自然-材料》（Nature Materials）。

自17世纪末阿蒙顿摩擦定律提出以来，科学界普遍认为：两表面相互接触时，施加的载荷越大，摩擦力单调递增。然而，顾红曰领衔的团队最新研究首次证明，摩擦力甚至可以在完全无物理接触的条件下产生，其根源并非机械载荷，而是集体磁动力学。这一发现不仅为开发无磨损技术开辟了新路径，也重塑了人们对行走、刹车等日常摩擦现象的基本认知。

“我们的研究表明，摩擦并非只能源于机械接触。即使两个表面从未实际触碰，摩擦力也可以完全由系统内部的集体磁重构所驱动。”论文通讯作者顾红曰表示，该研究由香港科技大学与奥地利因斯布鲁克大学、德国康斯坦茨大学合作完成。

研究结果显示：当两个磁性表面仅通过磁场相互作用、从未实际接触时，摩擦力依然出现。更关键的是，摩擦力并不随“间距”单调变化——在某一特定垂直距离处，摩擦力达到峰值；该距离对应磁性相互作用处于受抑状态，并伴随明显的磁滞效应。

为验证这一效应，团队构建了一套精密控制的宏观实验系统：两个平行的磁性层，上层是微型可旋转磁体构成的二维阵列，下层是具有匹配晶格结构的固定磁性基底。当上层横向滑动时，两层之间仅存在磁场耦合，无任何物理接触。通过精确调节垂直间距，团队系统性地调控了相互竞争的磁作用之间的平衡。

实验观察到：随间距变化，磁体排列呈现不同磁序——大间距时为有序的反铁磁排列，小间距时趋向铁磁排列，而在中间距离处两者竞争，形成受抑磁态。顾红曰解释：“正是在这种受抑状态下，摩擦力达到最大。随着上层滑动，磁矩集体切换取向，引发磁滞并耗散能量。”

该实验系统可对每个磁体取向直接成像，实时追踪磁构型变化，并将其与实测摩擦力明确关联——这是传统原子尺度实验难以实现的突破。

由此，该研究首次证实：无物理接触、无表面磨损的条件下，仅凭集体磁重构即可产生摩擦力。这一发现推翻了阿蒙顿定律的普适性，将摩擦重新定义为与内部自由度（如磁序）密切相关的能量耗散现象。

“传统观点认为摩擦与表面粗糙度、机械变形紧密相关。我们的工作表明，能量耗散同样可由运动过程中系统内部的自重组过程主导。”顾红曰指出，该物理机制具有无标度特性，因此不仅能在宏观实验系统中复现，也有望在原子级厚度的磁性材料中观测到——在后者中，极微小的机械位移即可扰动磁序。这为利用摩擦测量技术探测与调控磁性提供了全新思路。

据介绍，该成果可望用于开发新型可调谐、无磨损的摩擦接口。利用磁滞现象，摩擦力可实现远程、可逆调控，为摩擦超材料、自适应阻尼器、非接触控制元件等奠定基础，并有望应用于微纳机电系统、磁轴承、隔振平台，以及运动与内部磁态强耦合的超薄磁性器件。磁致摩擦将作为一种新型“机械接触”方式，连接摩擦学与磁学，推动集体自旋动力学研究。