新现象“量子摩擦”解释了水的奇异特性

“量子摩擦”是经典物理学中不存在的一种摩擦成分，法国的研究人员假设了这一假设，以解释水在石墨、石墨烯和碳纳米管等碳基表面上的异常行为。这种现象的普遍性尚不清楚，但它可能在需要选择性渗透膜的海水淡化等领域有用。

在宏观尺度上，液体通过固体的流速通常在界面处近似为零，使得整体流量仅依赖于液体的粘度。然而，在纳米尺度上，当只有非常薄的液体层流动时，液固摩擦变得至关重要。传统上，科学家认为摩擦是固体表面粗糙度的结果。然而，这并不能解释一些奇怪的实验观察结果:值得注意的是，水在石墨烯中的微流体通道中流动得比在散装石墨中快得多。更奇怪的是，在2016年Lyderic Bocquet和巴黎师范大学Supérieure的同事们发现，当多壁碳纳米管变窄时，水实际上流过它们更快．

研究人员试图用更复杂的摩擦模型来解释这些观察结果。电子摩擦考虑的是固体表面的电子激励可以抵抗运动的方式。“通常的想法是，你有一个带电粒子在电子气体旁边移动，这个带电粒子的库仑势会产生激发，从而产生摩擦，”解释说尼基塔Kavokine她刚刚离开博凯的团队，加入了美国的熨斗研究所(Flatiron Institute)。研究人员，如凝聚态理论家杰弗里·索科洛夫马萨诸塞州东北大学教授试着把这个概念应用到流动的水中．Kavokine解释说:“问题是，如果你平均取液态水，它是中性的，不带电荷……所以你需要考虑所有的水分子都在进行随机的热运动。”

在Bocquet团队的新工作中，Kavokine和同事们将这些流动水中的集体电荷波动描述为被称为“氢化物”的量化激励。研究人员计算，这些氢化物不能将大量的能量耗散到石墨烯中，因此只有经典摩擦才是重要的。然而，当水流过大块石墨时，氢离子会共振地激发被称为等离子体激元的量子化电子密度波动，从而减慢水的速度。Kavokine解释说:“石墨有一种非常特殊的表面等离子体激元，它有正确的能量和动量与氢离子对话。”研究人员写道，石墨烯上的水摩擦力不是异常低，而是异常高。在这种情况下，量子摩擦可以是经典摩擦的10倍。

米尔德里德文和他的同事们早在1997年在石墨烯被分离出来之前，大的多壁碳纳米管具有类似石墨的结构，而小的纳米管更像同心的石墨烯薄片。波凯的研究小组表明，这种脱钩可以很自然地解释2016年反直觉的结果。

研究人员现在正在努力更好地理解量子摩擦的基础物理，并看看它是否适用于其他系统。“我认为，使用这些理论工具，我们将能够理解发生在界面上的更多奇怪现象，”Kavokine说。他们现在正在寻求开发应用程序。波凯说:“我不能完全透露我们的想法，但这确实是过滤等方面的一项资产。”

索科洛夫说:“这是对一个重要实验结果的合理解释。”“碳纳米管中的水流非常重要，因为它可能应用于海水淡化等方面……(研究人员)只有在他们的机制解释了未来的实验——他们正在研究，也许其他小组也在研究——才能真正解决这个问题。”但他们似乎是做这些实验的最佳人选，所以他们基本上是在解释自己的实验。”