一個奇怪的水流現(xiàn)象終于有了解釋

碳納米管是一種格外微小的管道，它的管壁只有一個原子那么厚。這些管道之所以能做得那么小，還要歸功于堅固的石墨烯，也就是一種呈蜂窩狀的單原子厚度的碳原子片。

但十數(shù)年來，科學家一直對水在碳納米管的微小通道中流動的神秘方式感到困惑。這種微型管道中的水流似乎和所有流體力學的理論都不相符。

比如，讓人感到矛盾的是，水流似乎更容易通過更窄的多層碳納米管，并且在所有碳納米管中，水流移動中究竟存在怎樣的摩擦同樣難以解釋。

近日，在一項新的理論研究中，科學家創(chuàng)新地嘗試了流體力學和量子力學的“混搭”，終于找到了這個謎題的答案，那就是量子摩擦。研究提出的解釋首次表明在固體和液體的邊界存在的量子效應。

碳納米管中的水流

自2005年以來，科學家已經測量了水在碳納米管中移動的速度和特點。由于這些管道非常小，水流速度僅為每秒十億分之一升。

但是，通常認為，液體在碳納米管中流動的阻力非常小，因為石墨烯的管道壁是完全光滑的，這降低了對通過的水分子的阻力。石墨烯也不像許多其他材料那樣會在表面“抓住”分子，那些被捕捉的分子同樣會減緩流體的速度。

然而，更多的實驗卻帶來了令人困惑的結果。比如2016年的一項實驗表明，多層碳納米管中的摩擦取決于管道的半徑，納米管越寬，其中的摩擦效應反而會增加。

按照先前的理論，這根本說不通，因為無論管道有多大，管道壁都應該是一樣地光滑。這些奇怪的現(xiàn)象導致了這一領域的諸多爭論，科學家發(fā)展出了許多復雜的摩擦模型試圖給出合理的解釋，它也成了納米尺度流動研究的關鍵問題之一。

流體力學與量子力學的結合

由于現(xiàn)有流體動力學理論的失效，在這項新研究中，團隊更深入地研究了石墨烯壁的特性。

這樣的方法對于研究流體來說其實很不尋常。因為在“一般”的流體力學中，管道壁就只是“墻”而已，很多時候并不需要關心它是由什么構成的。但團隊已經意識到，在納米尺度上，這反而變得非常重要。

一個關鍵因素是，石墨烯中的一些電子可以在材料中自由移動。此外，這些電子可以與水分子產生電磁相互作用。這是因為每個水分子都有一個略帶正電的一端和一個略帶負電的一端，其中的氧原子對電子云的拉動比氫原子要更強一些。

在研究人員的解釋中，石墨烯壁中的電子會與流經的水分子一同移動。但電子往往略微滯后，減緩了分子的速度。這種效應被稱為電子或量子摩擦。原先，人們認為它只出現(xiàn)在兩種固體或者單一粒子與固體之間的相互作用中。

碳納米管中水流機制示意圖。| 圖片來源：Nikita Kavokine

然而，當涉及到液體時，情況則變得更加復雜，因為在液體中，許多分子都一同產生相互作用。電子和水分子由于它們的熱能而發(fā)生抖動。如果它們碰巧以相同的頻率抖動，就會發(fā)生共振的效應，增加量子摩擦。

這種共振效應在具有排列整齊的多層碳納米管中是最大的，因為層與層之間電子的運動與水分子的運動是同步的。

對于更窄的納米管來說，幾何限制導致了層之間的錯位。這種原子級的錯位阻礙了電子的移動，從而降低了摩擦，讓水流可以更快流過更窄的管道。這就解釋了之前觀測到的現(xiàn)象。

從理論到實驗

研究人員認為，液體和固體之間的這種新發(fā)現(xiàn)的相互作用直到現(xiàn)在才被注意到，主要有兩個原因。首先，這種效應帶來的摩擦非常輕微，對于那些表面比較粗糙的材料來說，它幾乎可以忽略不計。其次，這種效應的基礎是，電子需要一些時間來適應移動的水分子。但分子模擬卻無法探測到這種摩擦，是因為它們在模擬中用到了玻恩-奧本海默近似法，這種方法恰恰假設了電子會立刻適應附近原子的運動。

目前，這項新的研究仍在理論層面，因此研究人員還需要實驗來證實他們的想法，并探索更多反直覺的發(fā)現(xiàn)。他們還認為，這項結果也告訴我們改進現(xiàn)有的模擬的必要性。

這一理論發(fā)現(xiàn)可能為碳納米管的潛在應用帶來影響，例如從海水中過濾鹽，或者利用鹽水和淡水之間的鹽度差異產生能量。

編譯：M?ka

參考來源：

https://www.simonsfoundation.org/2022/02/02/quantum-friction-slows-water-flow-through-carbon-nanotubes-resolving-long-standing-fluid-dynamics-mystery/

https://www.chemistryworld.com/news/new-phenomenon-quantum-friction-explains-waters-bizarre-properties/4015163.article

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04284-7

首圖來源：Maggie Chiang/Simons Foundation