15年来，科学家们一直对水在碳纳米管的微小通道中的流动方式感到困惑。这些水流使流体力学的所有理论都变得混乱；矛盾的是，流体更容易通过较窄的纳米管，而且在所有的纳米管中几乎没有摩擦。摩擦的存在也无法解释。
在流体力学和量子力学前所未有的融合中，研究人员在2月2日发表在 Nature 上的一项新的理论研究中报告说，他们终于找到了答案：“量子摩擦”。
该研究的第一作者、纽约市Flatiron研究所计算量子物理中心(CCQ)的研究员 Nikita Kavokine 说，他提出的解释是固体和液体边界量子效应的第一个迹象。
“十多年来，水-碳系统一直困扰着科学家们，我们提出了第一个合理的解释，”Kavokine说。“这项工作显示了流体力学和物质的量子特性之间的联系，而这种联系直到现在才变得明显。”
Kavokine 和他的同事提出，通过的水分子与纳米管壁中的电子相互作用，从而使分子和电子相互推拉并减慢流动速度。
这种效应在由多层单原子厚碳片构成的纳米管变体中最为强烈。这是因为电子可以从一层跳到另一层。对于更窄的纳米管，几何约束会导致层间的错位。研究人员提出，这种原子尺度上的不匹配阻碍了电子跳跃，减少了摩擦，并导致更紧密的管道中流动更快。
图1. 固液量子摩擦理论
这些理论发现可能对碳纳米管的应用具有重大意义，例如从海水中过滤盐或利用咸水和淡水之间的盐度差来发电。更少的摩擦意味着迫使水通过管道所需的能量更少。
“我们的工作概述了使用先进材料在纳米尺度上控制流体流动的全新方法，” 法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任、该研究的共同作者Lydéric Bocquet说。
研究人员考虑的是直径在20到100纳米之间的纳米管。相比之下，一个水分子的直径为0.3纳米。这些碳管之所以能如此之小，要归功于它们坚固的结构材料——石墨烯。
自2005年以来，科学家们已经测量了水通过碳纳米管的速度和容易程度。由于碳纳米管非常小，它们是非常糟糕的吸管：液体每秒流动的速度只有十亿分之一升。
但至少液体移动的阻力很小，因为碳纳米管的壁是完全光滑的。这种表面粗糙度的缺乏减少了通过水分子的阻力。石墨烯也不会像许多其他材料那样在其表面捕获分子，那些被捕获的分子同样会减缓流动。
早期研究的测量结果表明，水在通过纳米管时几乎没有摩擦。然而，2016年，由Lydéric Bocquet合著的Nature 杂志的一项实验研究发现，摩擦力的大小取决于纳米管的半径。令人困惑的是，摩擦效应在较大的纳米管上增加了，这没有任何意义，因为较大的管子应该和较小的管子一样光滑。这些奇怪的现象在该领域引发了争论，并成为纳米尺度流动研究中的关键知识空白。
由于现有的流体动力学理论失败了，Kavokine 和他的同事们更深入地研究了石墨烯壁的特性。Kavokine说，这种研究流体的方法是不寻常的。“在流体力学中，墙只是一堵墙，你不关心墙是由什么组成的。我们意识到，在纳米尺度上，它实际上变得非常重要。”特别是，Kavokine 意识到石墨烯-水界面处的量子效应可以通过让流动的水将能量耗散到石墨烯中流动的电子中来产生摩擦。
一个关键因素是石墨烯中的一些电子可以在材料中自由移动。此外，这些电子可以与水分子发生电磁相互作用。这是因为每个水分子都有一个带轻微正电荷的末端和一个带轻微负电荷的末端，这是因为氧原子对电子云的牵引比氢原子强。
在研究人员的解释中，石墨烯壁上的电子会随着经过的水分子而移动。但是电子往往会稍微落后，从而减慢分子的速度。这种效应被称为电子或量子摩擦，以前只被认为是两个固体或单个粒子与固体之间相互作用的一个因素。
然而，当它涉及到液体时，情况就更复杂了，因为液体中有许多分子相互作用。电子和水分子由于它们的热能而振动。如果它们碰巧以相同的频率振动，就会产生共振效应，增加量子摩擦力。这种共振效应对于有良好排列层的纳米管是最大的，因为层间电子的运动与水分子的运动是同步的。
图2. 水的表面介电响应
Kavokine 说，这种新发现的液体和固体之间的相互作用直到现在才引起人们的注意，主要有两个原因。首先，由此产生的摩擦非常小，以至于对于表面较粗糙的材料来说可以忽略不计。其次，这种效果依赖于电子需要一些时间来适应移动的水分子。分子模拟无法检测到摩擦力，因为它们使用的是 Born-Oppenheimer 近似，该近似假设电子立即适应附近原子的运动。
这项新研究是理论性的，因此研究人员表示需要进行实验来确认他们的提议并探索其一些违反直觉的后果。 他们还指出，有必要改进不依赖于Born-Oppenheimer近似的模拟。Kavokine 说:“我希望这能改变我们处理这些系统的方式，并为其他问题带来新的理论工具。”
文献信息：
Lydéric Bocquet, Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04284-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04284-7
来源：phys.org
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