奈米流體可用於淨化水、產生能源和建造奈米級機器。但當水流過碳奈米管時，經典流體力學就會崩潰，導致令人費解的實驗結果，研究人員將其歸因於一種稱為「量子摩擦」的效應，如 菲利普鮑爾 解釋
如果您站在滴水的淋浴下抱怨水壓低，粗略計算將為您提供水黏度、壓力和水管尺寸之間的關係。如果你的管道縮小到幾微米寬，你還需要知道水和管道本身之間有多少摩擦力，這在微觀尺度上變得非常重要。
但如果你的管道太窄，一次只能通過幾個水分子，會發生什麼事？雖然奈米級管道聽起來既不切實際又不可能，但由於碳奈米管，我們實際上可以建造它。不久之後，日本物理學家 飯島純男 1991年發現多壁奈米碳管（性質 354 56），研究人員開始想知道這些微小的結構是否可以用作分子尺度的管道來吸收和運輸液體。
碳奈米管具有排斥水的壁，這使得科學家推測水可以幾乎無摩擦地穿過這些結構。憑藉如此高效的流動，人們開始討論將奈米管用於海水淡化、水淨化和其他「奈米流體」技術。
根據標準流體動力學，流動液體與管壁之間的摩擦力不應隨著管道變窄而改變。然而實驗表明，當水流過碳奈米管時，管子的光滑程度取決於其直徑。
事實證明，在奈米尺度上，流體力學定律是由水和碳之間相互作用的量子力學方面決定的
事實證明，在奈米尺度上，流體力學定律受到水和碳之間相互作用的量子力學方面的控制，並且可以產生一種被稱為「量子摩擦」的新現象。摩擦通常是一件麻煩事，但它是問題還是機會取決於我們的聰明才智。
量子摩擦可用於開發奈米級流量感測器或製造用於奈米流體的超微型閥門。這種令人驚訝的量子效應（甚至在室溫下也能發揮作用）的發現為實際奈米技術應用和理論分子物理學等打開了一個玩具箱。對於「量子管道工」來說，我們才剛開始了解裡面的東西。
滑管
這個故事真正開始於 2000 年代初，當時電腦模擬了水流過碳奈米管（性質 438 44 和 性質 414 188）顯示水分子確實以非常低的摩擦力穿過管壁。這產生了令人印象深刻的流速，甚至比透過調節動物和植物細胞中水位的專門奈米級蛋白質通道更快。
其他模擬，由 本·科里 在 澳大利亞國立大學，建議如果奈米管的直徑只有幾埃，這樣直徑內只有幾個水分子，那麼這種結構就可以過濾掉鹽（J.物理 化學 乙 112 1427）。這是因為溶解的鹽離子被水分子的「水合殼」包圍，水分子太大而無法通過管子。這項發現提出了利用排列整齊的奈米管陣列製造海水淡化膜的可能性，其低摩擦確保了高水流速。
關於此類膜的早期實驗（科學 312 1034）在2000年代 奧爾吉卡·巴卡金的組在 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 加州顯示出了希望（圖 1）。但用尺寸相同的奈米管製造堅固、經濟高效的膜的實用性導致進展相當緩慢。
1 對速度的需求
石墨烯的疏水錶面使其成為低摩擦奈米級管道的有吸引力的材料，但事實證明，流動對奈米管的尺寸也很敏感。
仔細觀察奈米管中的水流會讓事情變得更加複雜。 2016年物理學家 呂德里克·博凱 的 EcoleNormaleSupérieure 巴黎的他和他的同事進行的實驗表明，當管直徑小於約 100 nm 時，水在壓力下流過碳奈米管的速度會更快（性質 537 210）。換句話說，奈米管變得越小，看起來就越滑。然而，對於由氮化硼製成的奈米管，流速根本不依賴管直徑，這正如人們從簡單的經典模型中所期望的那樣。
碳奈米管由石墨烯同心層製成，石墨烯由排列成一維蜂窩晶格的碳原子組成。石墨烯片是導電的——它們具有移動電子——而氮化硼是絕緣的，儘管也具有六方晶格結構。
這種差異使 Bocquet 和同事懷疑這種意想不到的行為可能以某種方式與管壁中的電子態有關。更令人困惑的是，其他實驗表明，水在由石墨烯製成的奈米級通道中流動的速度比由石墨製成的通道更快（石墨只是石墨烯的堆疊層）。碳奈米管中的石墨烯同心層賦予它們類似石墨的結構，因此這可能是理解水如何透過奈米管傳輸的關鍵。
解決這個誘人的理論難題可能會對奈米管膜的實際應用產生重要影響。 「這種流動是膜科學中各種過程的中心，」說 尼基塔·卡沃金，一名物理學家 馬克斯普朗克聚合物研究所 在德國美因茨。 “我們希望能夠製造出在透水性和離子選擇性方面表現更好的材料。”
2022年，Bocquet與化學家提出了一個解決方案 瑪麗-洛爾·博凱 和 Kavokine（當時在 ENS）—量子摩擦的概念（性質 602 84）。他們認為，水流過石墨的速度可以透過水中電荷波動與石墨烯片移動電子中的波狀激發相互作用所產生的阻力來減慢。
乍一看，很輕的電子似乎不太可能與重得多的原子和分子相互作用，因為它們以如此不同的速度移動。卡沃金說：“天真的想法是電子的移動速度比水分子快得多，因此它們永遠不會動態地相互對話。”
電子和原子運動在時間尺度上的巨大差異畢竟是 玻恩-奧本海默近似，它讓我們可以計算原子和分子的電子態，而不必擔心原子運動的影響。正如博凱所承認的那樣，當他和他的同事第一次決定探索這種互動的可能性時，「我們一開始的想法非常模糊，而且並不樂觀」。
但當研究人員進行計算時，他們發現石墨中的電子和水中的分子有一種相互感知的方式。這是因為水分子的熱運動會造成不同地點短暫的密度差異。由於水分子是極性的，它們的電荷分佈不對稱，這些密度波動會在液體內產生相應的電荷波動，稱為德拜模式。石墨中的電子雲也表現出波狀電荷波動，其行為類似於被稱為「等離子體激元」的準粒子（圖 2）。
根據統計物理學家的說法 吉安卡洛·弗蘭澤塞 的 巴塞羅那大學，理解量子摩擦的關鍵是認識到水的性質必須被視為多體問題：引起德拜模式的波動是集體的，而不僅僅是單分子性質的總和。
2 蓄勢待發
當水流經石墨烯或石墨表面時，碳晶格中稱為等離子激元的電子激發與液體中的密度波動耦合，這意味著動量和能量可以在兩者之間傳遞。
Bocquet 及其同事發現，石墨中的等離激元波和水中的德拜模式都可能以每秒數萬億次左右的頻率（在太赫茲範圍內）發生。這意味著兩者之間可以產生共鳴，從而一個可以被另一個激發，就像大聲唱一個音符可以使未阻尼的鋼琴弦振動（如果音高相同）一樣。
透過這種方式，流過石墨表面的水可以將動量傳遞給石墨內的等離子激元，從而減速並受到阻力。換句話說，玻恩-奧本海默近似在這裡失效了：博克稱之為「一個巨大的驚喜」。
至關重要的是，石墨中與水耦合最強的等離子激元是由電子在堆疊的石墨烯片之間跳躍引起的。因此，它們不會出現在單片石墨烯中（圖 3）。博奎特和同事認為，這可以解釋為什麼水在石墨上流動比在石墨烯上流動得更慢——因為只有在前一種情況下才會存在強烈的量子摩擦。
3 電子跳躍
石墨結構示意圖，以及與強烈量子摩擦相關的層間等離子激元。 「A」和「B」亞晶格表徵了石墨結構，其中「A」原子直接位於相鄰層的原子之間。石墨中與水中電荷波動耦合最強烈的等離激元模式是由電子在石墨烯片之間跳躍引起的。這裡的結合參數描述了電子在相鄰或第二最近的片材之間隧道所需的能量。
但這能解釋碳奈米管中水的流速如何取決於管徑嗎？在直徑約 100 nm 以上的大型奈米管中，壁的曲率相對較低，堆疊石墨烯層之間的電子態耦合與具有平板的普通石墨非常相似，因此水經歷的量子摩擦流量處於最大強度。
但隨著管子變得更窄，管壁變得更加彎曲，管壁各層之間的電子相互作用變得更弱，各層的行為更像獨立的石墨烯片。因此，當直徑低於 100 nm 左右時，量子摩擦力會下降，而如果管子的寬度小於 20 nm 左右，則根本沒有量子摩擦力——管子就像經典理論預測的那樣光滑。
相當奇怪的是，在這種情況下，系統中的「量子性」似乎越來越少，因為它變得越來越小
「Lydéric 的作品非常令人興奮，」說 安傑洛斯·米夏利德斯，理論化學家 劍橋大學 英國對水-石墨烯界面的詳細電腦模擬證實了量子摩擦的發生（納米字母. 23 580).
量子摩擦的奇怪特徵之一是，與經典摩擦不同，它不依賴相對運動的兩種物質之間的直接接觸。即使水和碳奈米管之間有薄薄的真空層，量子摩擦也會減慢水的速度。 桑德拉·特羅伊安 來自 加州理工學院 帕薩迪納研究界面流體力學的帕薩迪納教授表示，這種「遠距離摩擦」與俄羅斯物理學家列昂尼德·列維托夫(Leonid Levitov) 1989 年提出的一個更早的想法有關。EPL 8 499).
原子周圍電子分佈的波動意味著中性原子、分子和材料可以相互施加微弱的靜電力，稱為范德華力。列維托夫認為，這可能會對彼此移動的物體產生阻力，即使在真空中分開的情況下也是如此。 「列維托夫提出，遠距離作用的量子效應可以在沒有直接物理接觸的情況下產生摩擦力，從而啟動了整個概念球，」特羅安說。
奈米級管道
這在理論上聽起來不錯，但是這個想法可以進行實驗測試嗎？為此，Kavokine 與 米莎·波恩同樣位於美因茨的他是利用光譜學探測水動力學的專家。波恩承認，起初他對此持懷疑態度。 “我當時想，夥計們，這是一個非常酷的理論，但在室溫下你不可能看到它。”但他同意嘗試一下。
「摩擦是動量傳遞，」波恩解釋。 「但是我們如何衡量呢？嗯，我可以測量能量轉移——這就是我們通常在光譜學中所做的事情。”因此卡沃金重寫了量子摩擦理論，以便量化能量轉移，而不是動量轉移。然後他們開始研究是否能夠發現電子和水動力學之間的這種能量轉移。
計算預測石墨烯中的量子摩擦比石墨弱，但波昂的團隊設計了一項石墨烯實驗，因為他們已經研究了其電子動力學。波昂解釋說，石墨烯單層具有面內等離激元，水漲落可以耦合到該表面等離激元，因此量子摩擦應該仍然存在，儘管它的效果比石墨弱。
研究人員使用光學雷射脈衝激發浸入水中的單片石墨烯中的電子，實際上突然升高了“電子溫度”，使其與水失去平衡。自然納米技術。 18 898）。 「有一定的固有冷卻時間，」波恩說——這被認為是真空中的冷卻速率。 “但是，如果[石墨烯等離子體激元和水的德拜模式之間]存在顯著的能量轉移，那麼當存在水時，冷卻速率應該會增加。”
這正是他們所看到的。隨著電子冷卻，它們吸收太赫茲頻率範圍內的光的能力增強。透過監測初始激發雷射脈衝後不同時間發射的太赫茲脈衝的吸收，波恩和同事可以推斷出冷卻速率。在這種情況下，即使對於單層石墨烯，水和電子之間似乎也存在能量轉移（這是量子摩擦的特徵）（圖 4）。
4 尋找量子摩擦
一種稱為「太赫茲光譜」的技術被用來尋找量子摩擦。此技術測量材料（在本例中為石墨烯片）被雷射脈衝加熱後的冷卻速率。隨著熱激發的減弱，材料吸收輻射的能力會改變。透過監測一系列太赫茲脈衝的吸收，計算冷卻速率。太赫茲光譜可以在真空或液浴中進行。如果液體的存在導致石墨烯比在真空中冷卻得更快，則表示存在量子摩擦。
相較之下，當石墨烯浸入甲醇或乙醇中時，電子的冷卻速度比真空中慢。這些是極性液體，但它們在適當的頻率下不具有德拜模式，並且它們僅僅抑制電子的熱弛豫。
“我最初的直覺是錯的，”波恩高興地承認，“所以當它起作用時，我感到非常驚訝。”不過，儘管他表示結果在數量上與理論預測一致，但仍需要進一步的實驗來證實這一點。更重要的是，到目前為止，他們只研究了與大量水接觸的平面石墨烯片。 「我們真的很想研究奈米約束水，」他說——他們已經開始了這一擴展。
超越白日夢
量子摩擦能派上用場嗎？卡沃金希望如此，並創造了“量子管道”一詞來描述為此所做的努力。 「我們可以看到機械功（如流體流動）如何直接影響電子運動，」博凱說。 “例如，如果移動液體，就可以感應出電子電流。”
研究人員現在正在考慮如何利用機械功和電子運動之間的能量直接轉換——例如，透過收集廢物流的能量來產生電流，或使用電子控制來改變流速，從而創建奈米級閥門或泵浦。 「這並非不可能，」波恩證明。
卡沃金指出，由於蛋白質的精細結構可調性，生物系統非常擅長在很小的範圍內控制流動。雖然他認為任何人都「不可能」實現這種程度的結構可調性，但「[我們的工作]表明我們可以利用電子可調性來實現具有非常不同的物理特性的類似功能」——他稱之為「反仿生路線」 」 流動奈米工程。
弗蘭澤斯說，了解量子摩擦可能有助於製造低摩擦材料。 「潤滑劑經常被用作解決方案，但其中許多都是不可持續的，」他說，因此設計一種本質上低摩擦的材料將是一個更好的選擇。更重要的是，將水-固界面的性質視為多體問題的方法「可能會對其他領域產生影響，例如流體混合物的過濾和分離」。
冷：物理學家如何學會透過雷射冷卻來操縱和移動粒子
同時，Michaelides 和Bocquet 正在探索利用石墨片的電子激發作為中介的想法，讓石墨片兩側的兩個流能夠進行通信，這樣一個流就可以誘導另一個流：他們稱之為流隧道效應。他們的模擬顯示原則上這是可能的。
“我設想這項工作（關於量子摩擦）有許多重要的應用，”Troian 說，“從生物系統到涉及膜分離、海水淡化、液體電池、奈米機器等的系統。”
無論量子水管工最終生產出什麼，正如博凱簡潔地總結的那樣，「這是一個非常好的遊樂場」。
