神奇「量子摩擦力」 納米管越細水流阻力越小

碳納米管有種神奇的特性，越細的管裏面的水流動的速度越快。其中的原因在過去十五年來都是一個謎。2月2日發表於《自然》（Nature）一份研究發現，原來這是「量子摩擦力」在起作用。

主要研究者之一紐約熨斗研究院（Flatiron Institute）計算量子物理中心（CCQ）的尼基塔·卡沃金（Nikita Kavokine）說，這是第一份探討固體和液體之間的接觸面具有怎樣的量子效應的研究。「這份研究第一次展示了流體力學和物質量子特性之間的聯繫。」

納米管就是直徑只有20～100納米左右的很細的管狀材料。這份研究提出的解釋是，水分子與納米管壁材料內部的電子發生推拉互動，是減緩水流速度的摩擦力。

納米管這麼細小卻足夠堅固，使用的是石墨烯材料製成。石墨烯是單層碳原子組成的蜂窩一樣的平面材料。多層石墨烯疊加在一起，就組成了石墨，就像鉛筆芯那樣的材料。

當納米管由多層石墨烯疊加而成的時候，研究者認為這樣的納米管材料內的電子很容易在不同的材料層之間跳躍，這樣的情形下摩擦力最大。對於較細的納米管來說，幾何形狀的限制導致不同材料層之間對不齊，此時裏面的電子不容易自由跳躍，從而減小阻力，導致水流在細小的管道內流速更快。

早在2005年，科學家已經測量了水在碳納米管內流動的速度，發現雖然它很細，水流量很少，但是由於石墨烯管壁很光滑，所以水流在裏面幾乎沒有遇到阻力。但是2016年另一些研究人員發現，越粗的納米管內水流遇到的阻力越大。這很奇怪，按理說不論納米管的粗細，裏面管壁都是一樣光滑的。

直到這份研究，科學家才發現了在原子層面，納米管材料內電子和水分子之間發生的量子效應。

研究解釋說，石墨烯內有一些電子可以在材料內自由移動，而且，這些電子會與水分子發生電磁作用。雖然水分子不帶電，但是從微觀層面上說，水分子一端略帶正電、另一端略帶負電。這是因為水分子內的氧原子對於分子內的電子雲（分子內所有的電子）的引力，比氫原子對電子雲的引力略大一些。

研究者認為，水流經過納米管的時候，石墨烯內的電子跟著水分子一起移動。但是，電子略微滯後一些。這就是他們所稱的「量子摩擦力」。以前其它研究只在固體和固體之間的相互作用中發現。

在液體和固體的接觸面上，情況更複雜一些，因為很多水分子一起發生作用，也就是說，在熱能的作用下，電子和水分子還會一起振動。當兩者頻率一致的時候，就形成諧振，此時量子摩擦力增大。研究發現，納米管各層材料對齊式疊加的情形下，諧振效應最顯著，各層材料內的電子和水分子形成同步運動，也就是摩擦力最大。

研究者表示，這項發現僅從理論的角度解釋了量子摩擦力的原理，還需要更多實驗進行證實。

研究稱，這項發現在碳納米管材料的很多應用領域具有重要意義，比如海水鹽份過濾廠、或是利用海水和淡水鹽度差異發電的技術。越小的摩擦力意味著讓水份通過管道所需耗費的能量越少。#

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