西蒙基金会
水分子在碳纳米管的蜂窝状壁附近流动
研究人员在一项新的研究中提出，壁中分子和电子之间的相互作用会导致“量子摩擦”
信用:江美琪/西蒙斯基金会 15年来，科学家们一直对水流经碳纳米管微小通道的神秘方式感到困惑，这些管道的壁厚可能只有一个原子
这些溪流混淆了所有的流体动力学理论；矛盾的是，流体更容易通过更窄的纳米管，在所有纳米管中，流体几乎没有摩擦地移动
有什么摩擦也无法解释
在流体动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《自然》杂志上的一项新理论研究中报告说，他们终于有了答案:“量子摩擦”
' 这项研究的主要作者，纽约市弗拉铁研究所计算量子物理中心(CCQ)的研究员尼基塔·卡沃金说，提出的解释首次表明了固体和液体边界的量子效应
卡沃金说:“水-碳系统困扰了科学家十多年，我们正在为发生的事情提出第一个合理的解释。”
“这项工作表明了流体力学和物质的量子特性之间的联系，这种联系直到现在还不明显
" 在他们的解释中，卡沃金和他的同事提出，通过的水分子与纳米管壁中的电子相互作用，因此分子和电子相互推动和拉动，从而减慢了流动
对于由多层单原子厚的碳片构成的纳米管变体来说，这种效应最强
那是因为电子可以从一层跳到另一层
对于较窄的纳米管，几何约束会导致层间错位
研究人员提出，这种原子尺度的不匹配阻碍了电子跳跃，减少了摩擦，并导致通过更紧密的管的更快的流动
理论上的发现对碳纳米管的应用有着重要的意义，比如从海水中过滤盐，或者利用盐水和淡水的盐度差异来产生能量
摩擦力越小，迫使水通过管道所需的能量就越少
法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任莱德里克·博克特说:“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。”
与卡沃金一起，他与玛丽-劳雷·博克特合著了这项新研究，后者也是CNRS大学的研究主任
研究人员考虑了直径从20到100纳米的纳米管
作为比较，水分子是0
直径3纳米
得益于其坚固的结构材料石墨烯，管可以如此之小:蜂窝图案的单原子厚的碳原子片
当你堆叠多层石墨烯时，你会得到石墨(就像铅笔芯中的石墨)
自2005年以来，科学家已经测量了水通过碳纳米管的速度和难易程度
因为它们非常小，纳米管会成为非常可怕的吸管:液体的流速只有每秒十亿分之一升
但是液体至少在很小的阻力下移动，因为管的石墨烯壁是完全光滑的
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可以减缓流动
早期研究中的测量表明，水几乎没有摩擦地流过纳米管
然而，2016年，《自然》杂志上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，对于更大的纳米管，摩擦效应增强了
这说不通，因为大管子应该和小管子一样光滑
这些奇怪的现象引发了该领域的争论，并成为纳米尺度流动研究中的关键知识空白
因为现有的流体动力学理论失败了，卡沃金和他的同事深入研究了石墨烯壁的特性
卡沃金说，这种方法对于研究流体来说是不寻常的
“在流体力学中，墙只是一堵墙，你不在乎墙是由什么组成的
我们意识到在纳米尺度上，它变得非常重要
“特别是，Kavokine意识到石墨烯-水界面的量子效应可以通过让流动的水将能量消散到石墨烯中流动的电子中来产生摩擦
令人惊讶的是，新冠肺炎·疫情资助了这项研究
“有一个陡峭的理论学习曲线来解决这个问题，”卡沃金说
“我不得不读很多基础书籍，学习新的东西，被关了几个月确实有所帮助
" 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电磁相互作用
这是因为每个水分子都有一个稍微带正电的末端和一个稍微带负电的末端，这是因为氧原子比氢原子更强烈地吸引电子云
在研究人员的解释中，石墨烯壁中的电子随着通过的水分子一起移动
但是电子倾向于稍微落后，减慢了分子的速度
这种效应被称为电子或量子摩擦，以前只是被认为是两个固体或单个粒子和固体之间相互作用的一个因素
然而，当涉及到液体时，情况就更复杂了，在液体中，许多分子一起相互作用
电子和水分子因其热能而抖动
如果它们碰巧以相同的频率抖动，就会产生一种叫做共振的效应，增加量子摩擦力
这种共振效应对于具有排列良好的层的纳米管最大，因为层之间的电子运动与水分子的运动同步
卡沃金说，这种新发现的液体和固体之间的相互作用直到现在还没有被注意到，主要有两个原因
首先，由此产生的摩擦力非常小，对于表面粗糙的材料来说可以忽略不计
其次，这种效应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，因为它们使用了玻恩-奥本海默近似，该近似假设电子立即适应附近原子的运动
这项新的研究是理论性的，所以研究人员说需要实验来证实他们的提议，并探索它的一些违反直觉的后果
他们还指出，有必要改进不依赖于玻恩-奥本海默近似的模拟
“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，”卡沃金说
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