一个奇怪的水流现象终于有了解释

碳纳米管是一种格外微小的管道，它的管壁只有一个原子那么厚。这些管道之所以能做得那么小，还要归功于坚固的石墨烯，也就是一种呈蜂窝状的单原子厚度的碳原子片。

但十数年来，科学家一直对水在碳纳米管的微小通道中流动的神秘方式感到困惑。这种微型管道中的水流似乎和所有流体力学的理论都不相符。

比如，让人感到矛盾的是，水流似乎更容易通过更窄的多层碳纳米管，并且在所有碳纳米管中，水流移动中究竟存在怎样的摩擦同样难以解释。

近日，在一项新的理论研究中，科学家创新地尝试了流体力学和量子力学的“混搭”，终于找到了这个谜题的答案，那就是量子摩擦。研究提出的解释首次表明在固体和液体的边界存在的量子效应。

碳纳米管中的水流

自2005年以来，科学家已经测量了水在碳纳米管中移动的速度和特点。由于这些管道非常小，水流速度仅为每秒十亿分之一升。

但是，通常认为，液体在碳纳米管中流动的阻力非常小，因为石墨烯的管道壁是完全光滑的，这降低了对通过的水分子的阻力。石墨烯也不像许多其他材料那样会在表面“抓住”分子，那些被捕捉的分子同样会减缓流体的速度。

然而，更多的实验却带来了令人困惑的结果。比如2016年的一项实验表明，多层碳纳米管中的摩擦取决于管道的半径，纳米管越宽，其中的摩擦效应反而会增加。

按照先前的理论，这根本说不通，因为无论管道有多大，管道壁都应该是一样地光滑。这些奇怪的现象导致了这一领域的诸多争论，科学家发展出了许多复杂的摩擦模型试图给出合理的解释，它也成了纳米尺度流动研究的关键问题之一。

流体力学与量子力学的结合

由于现有流体动力学理论的失效，在这项新研究中，团队更深入地研究了石墨烯壁的特性。

这样的方法对于研究流体来说其实很不寻常。因为在“一般”的流体力学中，管道壁就只是“墙”而已，很多时候并不需要关心它是由什么构成的。但团队已经意识到，在纳米尺度上，这反而变得非常重要。

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产生电磁相互作用。这是因为每个水分子都有一个略带正电的一端和一个略带负电的一端，其中的氧原子对电子云的拉动比氢原子要更强一些。

在研究人员的解释中，石墨烯壁中的电子会与流经的水分子一同移动。但电子往往略微滞后，减缓了分子的速度。这种效应被称为电子或量子摩擦。原先，人们认为它只出现在两种固体或者单一粒子与固体之间的相互作用中。

碳纳米管中水流机制示意图。| 图片来源：Nikita Kavokine

然而，当涉及到液体时，情况则变得更加复杂，因为在液体中，许多分子都一同产生相互作用。电子和水分子由于它们的热能而发生抖动。如果它们碰巧以相同的频率抖动，就会发生共振的效应，增加量子摩擦。

这种共振效应在具有排列整齐的多层碳纳米管中是最大的，因为层与层之间电子的运动与水分子的运动是同步的。

对于更窄的纳米管来说，几何限制导致了层之间的错位。这种原子级的错位阻碍了电子的移动，从而降低了摩擦，让水流可以更快流过更窄的管道。这就解释了之前观测到的现象。

从理论到实验

研究人员认为，液体和固体之间的这种新发现的相互作用直到现在才被注意到，主要有两个原因。首先，这种效应带来的摩擦非常轻微，对于那些表面比较粗糙的材料来说，它几乎可以忽略不计。其次，这种效应的基础是，电子需要一些时间来适应移动的水分子。但分子模拟却无法探测到这种摩擦，是因为它们在模拟中用到了玻恩-奥本海默近似法，这种方法恰恰假设了电子会立刻适应附近原子的运动。

目前，这项新的研究仍在理论层面，因此研究人员还需要实验来证实他们的想法，并探索更多反直觉的发现。他们还认为，这项结果也告诉我们改进现有的模拟的必要性。

这一理论发现可能为碳纳米管的潜在应用带来影响，例如从海水中过滤盐，或者利用盐水和淡水之间的盐度差异产生能量。

编译：Måka

参考来源：

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

首图来源：Maggie Chiang/Simons Foundation