由香港科技大學（科大）綜合系統與設計學部助理教授顧紅曰教授帶領的國際跨學科研究團隊，近日取得一項突破性發現，成功顛覆了三百年來人類對摩擦現象的傳統理解。自阿蒙頓定律提出以來，科學界普遍認為，當兩個表面相互接觸時，施加在其上的載荷越大，摩擦力就會單調地隨之增加。然而，團隊的最新研究首次揭示，摩擦力甚至可以在完全沒有實際物理接觸的情況下產生。這一發現不僅為開發無磨損技術開闢了全新路徑，亦重塑了關乎行走以至汽車煞車等日常活動的基本定律之認知。相關研究成果已發表於國際學術期刊《Nature Materials》，論文題為「Nonmonotonic Magnetic Friction from Collective Rotor Dynamics」。

    是次研究由科大與奧地利因斯布魯克大學及德國康斯坦茨大學的學者聯合開展。研究結果顯示，摩擦力可以在完全沒有任何機械接觸的情況下產生，其驅動機制源自集體磁性動力學。更值得關注的是，摩擦力並非隨載荷持續增加，而是在某一特定距離達到峰值；在該距離下，磁性相互作用呈現受抑狀態並產生磁滯效應。顧教授表示：「這項研究表明，摩擦不僅限於機械接觸引發的現象。即使兩個表面從未實際接觸，摩擦力也可以完全源自身系統內部的集體磁重構。」

    由磁性引發的摩擦現象

    為探究這一效應，團隊構建了一個精密控制的實驗系統。系統由兩個平行的磁性層構成，上層是微型可旋轉磁體組成的二維陣列，下層是具有匹配晶格結構的固定磁性基底。當上層橫向滑動時，兩層之間僅通過磁場相互作用，沒有發生任何物理接觸。通過精確調節兩層之間的垂直間距，團隊可系統性地調控相互競爭的磁作用之間的平衡。

（左起）科大綜合系統與設計學部助理教授顧紅曰教授、因斯布魯克大學物理學系Anton LÜDERS博士，以及康斯坦茨大學物理學系Clemens BECHINGER教授為是次研究共同通訊作者。

    實驗結果顯示，磁體的排列方式隨間距變化而呈現不同狀態。在較大間距下，磁體呈現有序的反鐵磁排列 ; 在較小間距下，傾向於鐵磁排列 ; 在中間距離處，兩者相互競爭，形成受抑狀態。顧教授解釋道：「在這種受抑狀態下，摩擦力達到最強。隨着上層滑動，磁矩不斷切換其集體取向，引發磁滯並耗散能量。」此實驗系統可實現對每一個磁體取向的直接成像，使研究團隊能夠即時追蹤磁構型的變化，並將其與測得的摩擦力進行明確關聯，是傳統原子尺度實驗難以實現的新突破。

研究團隊構建了一個精密控制的實驗系統，由兩個平行的磁性層構成：上層是微型可旋轉磁體組成的二維陣列，下層則是具有匹配晶格結構的固定磁性基底。

    顛覆存在三百年的摩擦定律

    通過實驗，此研究首次證明了摩擦可在無物理接觸、無表面磨損的情況下，僅由集體磁重構產生。這一發現顛覆了阿蒙頓定律的普適性，將摩擦重新定義為與內部自由度（如磁序）密切相關的現象。顧教授指出：「傳統觀點認為，摩擦與表面粗糙度和機械變形密切關聯。我們的研究則表明，能量耗散同樣可由內部系統在運動中的自重組過程主導。」

實驗裝置、總摩擦力與序參量。

    為開發納米磁性、可調諧無磨損介面帶來啟示

    這種物理機制具無標度特性，因此這個新發現不僅可在巨集觀實驗系統中觀察到，更有望在原子級厚度的磁性材料中也能觀察到。在這些材料中，極微小的機械位移即可擾動磁序。這一突破為利用摩擦測量技術來探測和調控磁性提供了新思路。展望未來，此研究有望應用於開發一種新型可調諧和無磨損的摩擦介面。利用磁滯現象，摩擦力可實現遠端、可逆調控，為摩擦超材料、自適應阻尼器、非接觸控制元件等技術的發展奠定基礎，亦具潛力應用於微納機電系統、磁軸承、隔振平台，以及運動與內部磁態強耦合的超薄磁性器件等。磁性摩擦將成為一種新的機械接觸方式，以進一步探索集體自旋動力學，將摩擦學與磁學連結起來。(記者：Karena)