研究称碳表面上的水流受量子摩擦控制

水和碳形成量子偶：水在碳表面的流动受到一种被称为量子摩擦的不寻常现象的控制。发表在《自然纳米技术》上的一项新工作通过实验证明了液态水和石墨烯(单层碳原子)之间界面上的这种现象，这在之前的理论研究中得到了预测。这项研究使用了先进的超快技术。这些结果可能会应用于水净化和海水淡化过程，甚至可能应用于基于液体的计算机。

过去 20 年来，科学家们一直对水在碳表面附近的行为感到困惑。它的流动速度可能比传统流动理论预期的要快得多，或者形成奇怪的排列，例如方冰。现在，来自美因茨马克斯普朗克聚合物研究所、加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(西班牙ICN2)和曼彻斯特大学(英国)的国际研究小组在《自然》杂志上发表了这项研究报告2023 年 6 月 22 日的纳米技术表明，水可以直接与碳的电子相互作用——这是一种在流体动力学中非常不寻常的量子现象。

液体(例如水)是由随机移动并不断相互碰撞的小分子组成的。相比之下，固体是由整齐排列的原子组成，原子沐浴在电子云中。假设固体和液体世界仅通过液体分子与固体原子的碰撞来相互作用——液体分子看不到固体的电子。然而，就在一年多前，一项范式转换的理论研究提出，在水-碳界面，液体分子和固体电子相互推拉，减慢了液体流动：这种新效应被称为量子摩擦。然而，该理论建议缺乏实验验证。

“我们现在已经使用激光来观察量子摩擦的作用，”该研究的主要作者、美因茨马克斯·普朗克研究所和纽约熨斗研究所的研究员 Nikita Kavokine 博士解释道。该团队研究了石墨烯样本——以蜂窝状排列的单层碳原子。他们使用超短红色激光脉冲(持续时间仅为十亿分之一秒的百万分之一)来瞬间加热石墨烯的电子云。然后他们用太赫兹激光脉冲监测其冷却，太赫兹激光脉冲对石墨烯电子的温度敏感。该技术称为光泵太赫兹探针(OPTP)光谱。

令他们惊讶的是，当石墨烯浸入水中时，电子云冷却得更快，而将石墨烯浸入乙醇中对冷却速率没有影响。卡沃金说：“这再次表明水碳对在某种程度上很特殊，但我们仍然必须了解到底发生了什么。” 一种可能的解释是，热电子推拉水分子以释放部分热量。换句话说，它们通过量子摩擦冷却。研究人员深入研究了这一理论，事实上，水-石墨烯量子摩擦可以解释实验数据。

来自 ICN2(西班牙)和 TU Eindhoven 的 Klaas-Jan Tielrooij 教授评论道：“石墨烯的载体动力学不断以意想不到的机制让我们感到惊讶，这一次涉及与无所不在的水分子的固液相互作用。”荷兰人)。水的特殊之处在于它的振动(称为水分子)与石墨烯电子的振动(称为等离子体激元)同步，因此石墨烯-水的传热通过称为共振的效应得到增强。

实验从而证实了固液量子摩擦的基本机制。这将对过滤和海水淡化过程产生影响，其中量子摩擦可用于调节纳米多孔膜的渗透性能。“我们的发现不仅对物理学家来说很有趣，而且对固液界面的电催化和光催化也具有潜在的影响，”于晓庆博士说。美因茨马克斯·普朗克研究所的学生，也是该作品的第一作者。

这一发现归结于将很少齐头并进的实验系统、测量工具和理论框架结合在一起。现在的关键挑战是控制水-电子相互作用。卡沃金说：“我们的梦想是根据需要打开和关闭量子摩擦。” “这样，我们就可以设计更智能的水过滤过程，甚至可能是基于流体的计算机。”