光照可减缓水中碳纳米管的运动

悬浮于水中的碳纳米管在绿光照射下运动速度变慢。研究表明，碳纳米管内被光激发的电子，会通过量子摩擦与水分子产生耦合作用。

诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·泡利曾说：“上帝创造了物质本体，而界面是魔鬼的杰作。”这句名言放在如今看来，比他所处的年代更具深意。凝聚态物理理论能够精准预测绝大多数常规固体、液体体相（物质内部）的物理性质，但人们对物质界面的认知却十分有限。尤其是液固摩擦——液体流经固体表面时发生的能量耗散现象，至今仍是科研领域的一大谜题。

基斯特瓦尔等人在《自然》期刊发表研究指出：当液体为水、固体为碳纳米管，且体系受到光照时，液固界面的摩擦耗能过程会呈现出微妙的量子效应。

碳纳米管可理解为卷曲的单层碳原子片，碳原子按照蜂窝状单层结构排列。研究团队制备了直径仅0.75纳米的超细碳纳米管，并将其分散在水中；为防止纳米管团聚，每根碳纳米管外都缠绕了一段DNA链。这种DNA包裹型碳纳米管早已被应用于小分子检测领域：该检测技术依托碳纳米管的荧光特性——碳纳米管经绿光激发后，会辐射出近红外光，而近红外光的发射强度会随溶液中特定小分子的出现发生变化。

不过，基斯特瓦尔团队的研究重点并非检测应用，而是光照激发对碳纳米管自身运动状态的影响。实验发现一个有趣现象：在绿光照射下，水中碳纳米管的无规则运动（布朗运动）明显变慢；在实验所用激光功率下，其运动速率最高可下降50%（见图1）。

图1 光致量子摩擦示意图

基斯特瓦尔等人研究证实，光照能够减缓水中碳纳米管的布朗运动。研究团队认为，该现象源于量子摩擦：固体表面的电荷涨落与周围液体的电荷涨落相互耦合，进而在液固界面产生拖曳阻力。

实验原理如下：光照会激发碳纳米管内的电子，电子跃迁后会留下带正电的空穴，电子与空穴紧密相伴，二者共同构成激子。激子会朝随机方向扩散，直至电子与空穴重新复合。研究提出，扩散过程中激子引发的电荷涨落，会与水分子的电荷涨落发生耦合（水分子自身存在正负电荷两极），由此产生量子摩擦，最终减缓碳纳米管的布朗运动。

水中的所有微小颗粒都会自发做无规则运动。19世纪，苏格兰植物学家罗伯特·布朗在显微镜下观察花粉颗粒时，首次发现了这一现象。阿尔伯特·爱因斯坦随后作出解释：这种运动源于周围水分子的热撞击——水分子携带热能，会持续不断地碰撞悬浮颗粒。

按照常规思路，碳纳米管吸收绿光后会轻微升温，水分子热运动加剧，对纳米管的撞击也会更频繁，纳米管理应运动得更快，但实验结果恰好相反。

这一矛盾说明：纳米管运动变慢并非受热效应影响，而是光照改变了碳纳米管本身的物理性质。当碳纳米管吸收绿光时，碳晶格中的电子会从基态跃迁至激发态，造成电子空间分布扰动，进而形成激子。激子由受激的负电电子，以及电子离开后留下的正电空穴组成，静电引力让电子与空穴相互束缚、成对存在。

激子的寿命极短，通常仅为数皮秒（1皮秒=10⁻¹²秒），随后电子与空穴会重新复合，并释放出近红外光。若持续照射绿光，碳纳米管内会形成稳定的激子群体。

研究团队通过多组实验证实，激子的存在会减缓碳纳米管的布朗运动。实验首先利用了碳纳米管的小分子传感特性：抗坏血酸能够增强碳纳米管的荧光效应，在固定绿光强度下，溶液中抗坏血酸含量越高，体系内稳态激子数量就越多。实验人员向水溶液中添加抗坏血酸后发现，随着浓度升高，碳纳米管的运动速度持续下降；随后他们加入会削弱碳纳米管荧光的核黄素，纳米管的运动速度又随之加快。

由此可见，无论是改变入射光照条件，还是调整溶液化学成分来调控激子数量，碳纳米管的运动速度都会发生相应变化，实验结果具备一致性。

研究进一步发现，除了激子数量，激子的运动状态也会影响碳纳米管的运动。激子形成后，会沿着碳纳米管扩散约100纳米，之后电子才会与空穴复合。研究团队特意制备了一类带有晶格点缺陷的碳纳米管，这类缺陷会“束缚”激子，使其无法自由扩散。实验显示，即便增强绿光强度，这类碳纳米管依旧能正常产生荧光，但运动速度不再变慢。

综上，水中碳纳米管的布朗运动与水-碳纳米管界面的能量耗散密切相关，而光照诱导的碳纳米管电子密度动态变化，会直接作用于这一过程。研究团队认为，该实验现象正是量子摩擦的典型特征。量子摩擦是一种特殊的界面效应：液固体系可通过水分子与固体电子之间的相互推拉作用实现能量耗散。

这一现象看似违背常理：电子的运动速度本远快于水分子，二者很难产生有效相互作用，就如同行人难以对飞驰的汽车形成阻力。但实验证明，在光激发条件下，碳纳米管电子的电荷涨落能够与水分子的电荷涨落形成同步，进而通过量子摩擦完成能量耗散。

量子摩擦为纳米通道内的流体操控提供了全新思路。例如，借助水分子与通道内壁电子的耦合作用，可利用电流驱动水流。基斯特瓦尔团队的研究则表明，结合光激发手段后，量子摩擦的应用场景或将远超以往预期。

学界最初预测，量子摩擦会出现在碳纳米管内部水流体系中：碳纳米管内壁极度光滑，常规摩擦几乎消失，量子效应便会凸显。而本次研究证实，这类量子效应同样能影响碳纳米管的布朗运动——该过程的能量耗散主要发生在相对粗糙的纳米管外壁。目前，相关理论研究已滞后于实验发现，亟需建立理论模型来阐释背后的物理机制。

尽管完整的物理解释尚未成型，但有一点可以确定：物质界面还蕴藏着大量未知的奇妙现象，等待科学家探索。在流体力学连续介质理论与物质量子特性交汇的前沿领域，全新的物理规律仍有待人们去发掘。

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