“量子摩擦”减缓了水通过碳纳米管的速度，

解决了长期存在的流体动力学之谜

诸平

Water molecules flow near the honeycomb-patterned walls of a carbon nanotube. Interactions between the molecules and electrons in the walls can cause ‘quantum friction,’ researchers propose in a new study. Credit: Maggie Chiang/Simons Foundation

据西蒙斯基金会（Simons Foundation）2022年2月2日提供的消息，“量子摩擦（Quantum friction）”减缓了水通过碳纳米管的速度，解决了长期存在的流体动力学之谜（'Quantum friction' slows water flow through carbon nanotubes, resolving long-standing fluid dynamics mystery）。上图是水分子在碳纳米管的蜂窝状壁附近流动。研究人员在一项新的研究中提出，分子和电子之间的相互作用会导致“量子摩擦”。

15年来，科学家们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。碳纳米管是一种管壁只有一个原子厚的管道。这些水流使流体力学的所有理论都变得混乱;矛盾的是，流体更容易通过较窄的纳米管，而且在所有的纳米管中几乎没有摩擦。摩擦的存在也无法解释。

在流体力学和量子力学前所未有的融合中，研究人员在2022年2月2日发表在《自然》（Nature）杂志上的一项新的理论研究中报告说，他们终于找到了答案:“量子摩擦”。详见 

Nikita Kavokine, Marie-Laure Bocquet, Lydéric Bocquet Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows. Nature, Published: 02 February 2022, Volume 602, Pages 84–90. DOI: 10.1038/s41586-021-04284-7. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04284-7.参与此项研究的有来自法国巴黎文理研究大学（Université PSL）、巴黎第四大学（Sorbonne Université）、巴黎第七大学（Université Paris-Diderot）、巴黎索邦大学（Sorbonne Universités）、法国国家科学研究中心(French National Centre for Scientific Research简称CNRS)以及美国纽约市的弗兰特隆研究所（Flatiron Institute, New York, USA）的研究人员。

该研究的第一作者，也是通讯作者之一尼基塔·卡瓦肯（Nikita Kavokine）说，这个提出的解释是固体和液体边界处的量子效应的第一个迹象。尼基塔·卡瓦肯是位于纽约市的弗兰特隆研究所计算量子物理中心( Flatiron Institute’s Center for Computational Quantum Physics 简称CCQ)的研究员。

尼基塔·卡瓦肯说:“十多年来，水-碳系统一直困扰着科学家，我们提出了第一个合理的解释。这项工作显示了流体力学和物质量子特性之间的联系，而这种联系直到现在才变得明显。”

在他们的解释中，尼基塔·卡瓦肯和他的同事提出，通过的水分子与纳米管壁上的电子相互作用，因此分子和电子相互推拉，减缓了流动。

这种效应在由多层单原子厚碳片构成的纳米管变体中最为强烈。这是因为电子可以从一层跳到另一层。对于更窄的纳米管，几何约束会导致层间的错位。研究人员提出，这种原子尺度上的不匹配阻碍了电子跳跃，减少了摩擦，并导致更紧密的管道中流动更快。

这些理论发现可能对碳纳米管的应用具有重大意义，例如从海水中过滤盐或利用咸水和淡水之间的盐度差来发电。更少的摩擦意味着迫使水通过管道所需的能量更少。

位于巴黎的法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任Lydéric Bocquet说：“我们的工作概述了使用先进材料在纳米尺度上控制流体流动的全新方法。”Lydéric Bocquet和尼基塔·卡瓦肯一道，与CNRS的研究主任玛丽-劳雷·博克奎特(Marie-Laure Bocquet)共同撰写了这项新研究。

研究人员考虑的是直径在20~100 nm之间的纳米管。相比之下，一个水分子的直径为0.3 nm。这些碳管之所以能如此之小，要归功于它们坚固的结构材料——石墨烯:蜂窝状的单原子厚碳原子薄片。当你堆叠多层石墨烯时，你就得到了像铅笔芯中发现的那种石墨。

自2005年以来，科学家们已经测量了水通过碳纳米管的速度和容易程度。由于纳米管非常小，它们可以成为非常糟糕的吸管:液体每秒流动的速度只有十亿分之一升。

但至少液体移动的阻力很小，因为石墨烯管的壁是完全光滑的。这种表面粗糙度的缺乏减少了通过水分子的阻力。石墨烯也不像其他材料那样能在其表面吸附分子。这些被捕获的分子同样可以减缓流动。

早期研究的测量结果表明，水在通过纳米管时几乎没有摩擦。然而，2016年，由Lydéric Bocquet合著的《自然》杂志的一项实验研究发现，摩擦力的大小取决于纳米管的半径——Eleonora Secchi, Sophie Marbach, Antoine Niguès, Derek Stein, Alessandro Siria, Lydéric Bocquet. Massive radius-dependent flow slippage in carbon nanotubes. Nature, 2016 Sep 8; 537(7619): 210-213. DOI: 10.1038/nature19315.令人困惑的是，摩擦效应在较大的纳米管上增加。这是没有意义的，因为较大的管子应该和较小的管子一样光滑。这些奇怪的现象在该领域引发了争论，并成为纳米尺度流动研究中的关键知识空白。

由于现有的流体动力学理论失败了，尼基塔·卡瓦肯和他的同事们深入研究了石墨烯壁的性质。尼基塔·卡瓦肯说，这种研究流体的方法是不寻常的。“在流体力学中，墙只是一堵墙，你不关心墙是由什么组成的。我们意识到，在纳米尺度上，它实际上变得非常重要。”特别是，尼基塔·卡瓦肯意识到石墨烯-水界面的量子效应可以通过让流动的水将能量耗散到石墨烯中流动的电子中来产生摩擦。

令人惊讶的是，COVID-19大流行帮助了这项研究。尼基塔·卡瓦肯说:“要解决这个问题，需要经历一条陡峭的理论学习曲线。我不得不读很多基础书籍，学习新的东西，几个月的禁闭真的很有帮助。”

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发生电磁作用。这是因为每个水分子都有一个带轻微正电荷的端和一个带轻微负电荷的端，这是因为氧原子对电子云的牵引比氢原子强。

在研究人员的解释中，石墨烯壁上的电子与通过的水分子一起移动。但是电子倾向于稍微滞后，减慢分子的速度。这种效应被称为电子摩擦（electronic friction）或量子摩擦（quantum friction），以前只被认为是两个固体或单个粒子与固体之间相互作用的一个因素。

然而，当它涉及到液体时，情况就更复杂了，因为液体中有许多分子相互作用。电子和水分子由于它们的热能而振动。如果它们碰巧以相同的频率振动，就会产生共振效应，增加量子摩擦力。这种共振效应对于有良好排列层的纳米管是最大的，因为层间电子的运动与水分子的运动是同步的。

尼基塔·卡瓦肯说，液体和固体之间这种新发现的相互作用直到现在才被发现，主要有两个原因。首先，产生的摩擦非常小，对于表面粗糙的材料来说可以忽略不计。其次，这种效应依赖于电子需要一些时间来适应移动的水分子。分子模拟无法检测到摩擦力，因为它们使用的是波恩-奥本海默近似（Born-Oppenheimer approximation），该近似假设电子能立即适应附近原子的运动。

这项新研究是理论性的，因此研究人员表示，需要进行实验来证实他们的建议，并探索一些违反直觉的后果。他们还指出，有必要改进不依赖于波恩-奥本海默近似的模拟。尼基塔·卡瓦肯说:“我希望这能改变我们处理这些系统的方式，并为其他问题带来新的理论工具。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Control over water friction with 2D materials points to 'smart membranes'

Abstract

The flow of water in carbon nanochannels has defied understanding thus far¹, with accumulating experimental evidence for ultra-low friction, exceptionally high water flow rates and curvature-dependent hydrodynamic slippage^2,3,4,5. In particular, the mechanism of water–carbon friction remains unknown⁶, with neither current theories⁷ nor classical^8,9 or ab initio molecular dynamics simulations¹⁰ providing satisfactory rationalization for its singular behaviour. Here we develop a quantum theory of the solid–liquid interface, which reveals a new contribution to friction, due to the coupling of charge fluctuations in the liquid to electronic excitations in the solid. We expect that this quantum friction, which is absent in Born–Oppenheimer molecular dynamics, is the dominant friction mechanism for water on carbon-based materials. As a key result, we demonstrate a marked difference in quantum friction between the water–graphene and water–graphite interface, due to the coupling of water Debye collective modes with a thermally excited plasmon specific to graphite. This suggests an explanation for the radius-dependent slippage of water in carbon nanotubes⁴, in terms of the electronic excitations of the nanotubes. Our findings open the way for quantum engineering of hydrodynamic flows through the electronic properties of the confining wall.