认识“量子管道工”，揭开纳米尺度流体力学的奥秘 – 物理世界

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如果您站在滴水的淋浴下抱怨水压低，粗略计算将为您提供水粘度、压力和水管尺寸之间的关系。如果你的管道缩小到几微米宽，你还需要知道水和管道本身之间有多少摩擦力，这在微观尺度上变得很重要。

但如果你的管道太窄，一次只能通过几个水分子，会发生什么？虽然纳米级管道听起来既不切实际又不可能，但由于碳纳米管，我们实际上可以建造它。不久之后，日本物理学家 饭岛纯男 1991年发现多壁碳纳米管（自然 354 56），研究人员开始想知道这些微小的结构是否可以用作分子尺度的管道来吸收和运输液体。

碳纳米管具有排斥水的壁，这使得科学家们推测水可以几乎无摩擦地穿过这些结构。凭借如此高效的流动，人们开始讨论将纳米管用于海水淡化、水净化和其他“纳米流体”技术。

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根据标准流体动力学，流动液体与管壁之间的摩擦力不应随着管道变窄而改变。然而实验表明，当水流过碳纳米管时，管子的光滑程度取决于其直径。

事实证明，在纳米尺度上，流体力学定律是由水和碳之间相互作用的量子力学方面决定的

事实证明，在纳米尺度上，流体力学定律受到水和碳之间相互作用的量子力学方面的控制，并且可以产生一种被称为“量子摩擦”的新现象。摩擦通常是一件麻烦事，但它是问题还是机会取决于我们的聪明才智。

量子摩擦可用于开发纳米​​级流量传感器或制造用于纳米流体的超微型阀门。这种令人惊讶的量子效应（甚至在室温下也能发挥作用）的发现为实际纳米技术应用和理论分子物理学等打开了一个玩具箱。对于“量子管道工”来说，我们才刚刚开始了解里面的东西。

滑管

这个故事真正开始于 2000 年代初，当时计算机模拟了水流过碳纳米管（自然 438 44 和 自然 414 188）表明水分子确实以非常低的摩擦力穿过管壁。这产生了令人印象深刻的流速，甚至比通过调节动植物细胞中水位的专门纳米级蛋白质通道还要快。

其他模拟，由 本·科里 在 澳大利亚国立大学，建议如果纳米管的直径只有几埃，这样直径内只有几个水分子，那么这种结构就可以过滤掉盐（J.物理 化学 乙 112 1427）。这是因为溶解的盐离子被水分子的“水合壳”包围，水分子太大而无法通过管子。这一发现提出了利用排列整齐的纳米管阵列制造海水淡化膜的可能性，并且低摩擦确保了高水流速。

关于此类膜的早期实验（科学 312 1034）在2000年代 奥尔吉卡·巴卡金的组在 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 加利福尼亚州显示出了希望（图 1）。但用尺寸相同的纳米管制造坚固、经济高效的膜的实用性导致进展相当缓慢。

仔细观察纳米管中的水流会让事情变得更加复杂。 2016年物理学家 吕德里克·博凯 的 EcoleNormaleSupérieure 巴黎的他和他的同事进行的实验表明，当管直径小于约 100 nm 时，水在压力下流过碳纳米管的速度会加快（自然 537 210）。换句话说，纳米管变得越小，看起来就越滑。然而，对于由氮化硼制成的纳米管，流速根本不依赖于管直径，这正如人们从简单的经典模型中所期望的那样。

碳纳米管由石墨烯同心层制成，石墨烯由排列成一维蜂窝晶格的碳原子组成。石墨烯片是导电的——它们具有移动电子——而氮化硼是绝缘的，尽管也具有六方晶格结构。

这种差异使 Bocquet 和同事怀疑这种意想不到的行为可能以某种方式与管壁中的电子态有关。更神秘的是，其他实验表明，水在由石墨烯制成的纳米级通道中流过的速度比由石墨制成的通道更快（石墨只是石墨烯的堆叠层）。碳纳米管中的石墨烯同心层赋予它们类似石墨的结构，因此这可能是理解水如何通过纳米管传输的关键。

解决这个诱人的理论难题可能会对纳米管膜的实际应用产生重要影响。 “这种流动是膜科学中各种过程的中心，”说 尼基塔·卡沃金, 物理学家 马克斯普朗克聚合物研究所 在德国美因茨。 “我们希望能够制造出在透水性和离子选择性方面表现更好的材料。”

2022年，Bocquet与化学家提出了一个解决方案 玛丽-劳尔·博凯 和 Kavokine（当时在 ENS）——量子摩擦的概念（自然 602 84）。他们认为，水流过石墨的速度可以通过水中电荷波动与石墨烯片移动电子中的波状激发相互作用产生的阻力来减慢。

乍一看，很轻的电子似乎不太可能与重得多的原子和分子相互作用，因为它们以如此不同的速度移动。卡沃金说：“天真的想法是电子的移动速度比水分子快得多，因此它们永远不会动态地相互对话。”

电子和原子运动在时间尺度上的巨大差异毕竟是 玻恩-奥本海默近似，它让我们可以计算原子和分子的电子态，而不必担心原子运动的影响。正如博凯承认的那样，当他和他的同事第一次决定探索这种互动的可能性时，“我们一开始的想法非常模糊，而且并不乐观”。

但当研究人员进行计算时，他们发现石墨中的电子和水中的分子有一种相互感知的方式。这是因为水分子的热运动会造成不同地点短暂的密度差异。由于水分子是极性的，它们的电荷分布不对称，这些密度波动会在液体内产生相应的电荷波动，称为德拜模式。石墨中的电子云还表现出波状电荷波动，其行为类似于被称为“等离子体激元”的准粒子（图 2）。

根据统计物理学家的说法 吉安卡洛·弗兰泽塞 的 巴塞罗那大学，理解量子摩擦的关键是认识到水的性质必须被视为多体问题：引起德拜模式的波动是集体的，而不仅仅是单分子性质的总和。

Bocquet 及其同事发现，石墨中的等离激元波和水中的德拜模式都可能以每秒数万亿次左右的频率（在太赫兹范围内）发生。这意味着两者之间可以产生共鸣，从而一个可以被另一个激发，就像大声唱一个音符可以使未阻尼的钢琴弦振动（如果音高相同）一样。

通过这种方式，流过石墨表面的水可以将动量传递给石墨内的等离子激元，从而减速并受到阻力。换句话说，玻恩-奥本海默近似在这里失效了：博克称之为“一个巨大的惊喜”。

至关重要的是，石墨中与水耦合最强的等离子激元是由电子在堆叠的石墨烯片之间跳跃引起的。因此，它们不会出现在单片石墨烯中（图 3）。博奎特和同事认为，这可以解释为什么水在石墨上流动比在石墨烯上流动得更慢——因为只有在前一种情况下才会存在很强的量子摩擦。

但这能解释碳纳米管中水的流速如何取决于管直径吗？在直径约 100 nm 以上的大型纳米管中，壁的曲率相对较低，堆叠石墨烯层之间的电子态耦合与具有平板的普通石墨非常相似，因此水经历的量子摩擦流量处于最大强度。

但随着管变得更窄，管壁变得更加弯曲，管壁各层之间的电子相互作用变得更弱，各层的行为更像独立的石墨烯片。直径低于 100 nm 左右时，量子摩擦力会下降，如果管子的宽度小于 20 nm 左右，则根本没有量子摩擦力——管子就像经典理论预测的那样光滑。因此，相当奇怪的是，在这种情况下，随着系统变小，系统中的“量子性”似乎越来越少。

相当奇怪的是，在这种情况下，系统中的“量子性”似乎随着它变小而减少

“Lydéric 的作品非常令人兴奋，”说 安杰洛斯·米夏利德斯，理论化学家 剑桥大学 英国对水-石墨烯界面的详细计算机模拟证实了量子摩擦的发生（纳米莱特. 23 580).

量子摩擦的奇怪特征之一是，与经典摩擦不同，它不依赖于相对运动的两种物质之间的直接接触。即使水和碳纳米管之间有薄薄的真空层，量子摩擦也会减慢水的速度。 桑德拉·特罗伊安 来自 美国加州理工学院 帕萨迪纳研究界面流体力学的帕萨迪纳教授表示，这种“远距离摩擦”与俄罗斯物理学家列昂尼德·列维托夫 (Leonid Levitov) 1989 年提出的一个更早的想法有关。英超 8 499).

原子周围电子分布的波动意味着中性原子、分子和材料可以相互施加微弱的静电力，称为范德华力。列维托夫认为，这可能会对彼此移动的物体产生阻力，即使是在真空中分开的情况下也是如此。 “列维托夫提出，远距离作用的量子效应可以在没有直接物理接触的情况下产生摩擦力，从而启动了整个概念球，”特罗安说。

纳米级管道

这在理论上听起来不错，但是这个想法可以进行实验测试吗？为此，Kavokine 与 米莎·波恩同样位于美因茨的他是利用光谱学探测水动力学的专家。波恩承认，起初他对此持怀疑态度。 “我当时想，伙计们，这是一个非常酷的理论，但在室温下你不可能看到它。”但他同意尝试一下。

“摩擦是动量传递，”波恩解释道。 “但是我们如何衡量呢？嗯，我可以测量能量转移——这就是我们通常在光谱学中所做的事情。”因此卡沃金重写了量子摩擦理论，以便量化能量转移，而不是动量转移。然后他们开始研究是否能够发现电子和水动力学之间的这种能量转移。

计算预测石墨烯中的量子摩擦比石墨弱，但波恩的团队设计了一项石墨烯实验，因为他们已经研究了其电子动力学。波恩解释说，石墨烯单层具有面内等离激元，水涨落可以耦合到该表面等离激元，因此量子摩擦应该仍然存在，尽管它的效果比石墨弱。

研究人员使用光学激光脉冲激发浸入水中的单片石墨烯中的电子，实际上突然升高了“电子温度”，使其与水失去平衡。自然纳米技术。 18 898）。 “有一定的固有冷却时间，”波恩说——这被认为是真空中的冷却速率。 “但是，如果[石墨烯等离子激元和水的德拜模式之间]存在显着的能量转移，那么当存在水时，冷却速率应该会增加。”

这正是他们所看到的。随着电子冷却，它们吸收太赫兹频率范围内的光的能力增强。通过监测初始激发激光脉冲后不同时间发射的太赫兹脉冲的吸收，波恩和同事可以推断出冷却速率。在这种情况下，即使对于单层石墨烯，水和电子之间似乎也存在能量转移（这是量子摩擦的特征）（图 4）。

相比之下，当石墨烯浸入甲醇或乙醇中时，电子的冷却速度比真空中慢。这些是极性液体，但它们在适当的频率下不具有德拜模式，并且它们仅仅抑制电子的热弛豫。

“我最初的直觉是错误的，”波恩高兴地承认，“所以当它起作用时，我感到非常惊喜。”不过，尽管他表示结果在数量上与理论预测一致，但还需要进一步的实验来证实这一点。更重要的是，到目前为止，他们只研究了与大量水接触的平面石墨烯片。 “我们真的很想研究纳米约束水，”他说——他们已经开始了这一扩展。

超越白日梦

量子摩擦能派上用场吗？卡沃金希望如此，并创造了“量子管道”一词来描述为此所做的努力。 “我们可以看到机械功（如流体流动）如何直接影响电子运动，”博凯说。 “例如，如果移动液体，就可以感应出电子电流。”

研究人员现在正在考虑如何利用机械功和电子运动之间的能量直接转换——例如，通过收集废物流的能量来产生电流，或者使用电子控制来改变流速，从而创建纳米级阀门或泵。 “这并非不可能，”波恩证明道。

卡沃金指出，由于蛋白质的精细结构可调性，生物系统非常擅长在很小的范围内控制流动。虽然他认为任何人都“不可能”实现这种程度的结构可调性，但“[我们的工作]表明我们可以利用电子可调性来实现具有非常不同的物理特性的类似功能”——他称之为“反仿生路线” ” 流动纳米工程。

弗兰泽斯说，了解量子摩擦可能有助于制造低摩擦材料。 “润滑剂经常被用作解决方案，但其中许多都是不可持续的，”他说，因此设计一种本质上低摩擦的材料将是一个更好的选择。更重要的是，将水-固界面的性质视为多体问题的方法“可能会对其他领域产生影响，例如流体混合物的过滤和分离”。

冷：物理学家如何学会通过激光冷却来操纵和移动粒子

与此同时，Michaelides 和 Bocquet 正在探索利用石墨片的电子激发作为中介的想法，让石墨片两侧的两个流能够进行通信，这样一个流就可以诱导另一个流：他们称之为流隧道效应。他们的模拟表明原则上这是可能的。

“我设想这项工作（关于量子摩擦）有许多重要的应用，”Troian 说，“从生物系统到涉及膜分离、海水淡化、液体电池、纳米机器等的系统。”

无论量子管道工最终生产出什么，正如博凯简洁地总结的那样，“这是一个非常好的游乐场”。

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