【新唐人北京时间2022年03月05日讯】碳纳米管有种神奇的特性，越细的管里面的水流动的速度越快。其中的原因在过去15年来都是一个谜。2月2日发表于《自然》（Nature）一份研究发现，原来这是“量子摩擦力”在起作用。
主要研究者之一纽约熨斗研究院（Flatiron Institute）计算量子物理中心（CCQ）的尼基塔·卡沃金（Nikita Kavokine）说，这是第一份探讨固体和液体之间的接触面具有怎样的量子效应的研究。“这份研究第一次展示了流体力学和物质量子特性之间的联系。”
纳米管就是直径只有20～100纳米左右的很细的管状材料。这份研究提出的解释是，水分子与纳米管壁材料内部的电子发生推拉互动，是减缓水流速度的摩擦力。
纳米管这么细小却足够坚固，使用的是石墨烯材料制成。石墨烯是单层碳原子组成的蜂窝一样的平面材料。多层石墨烯叠加在一起，就组成了石墨，就像铅笔芯那样的材料。
当纳米管由多层石墨烯叠加而成的时候，研究者认为这样的纳米管材料内的电子很容易在不同的材料层之间跳跃，这样的情形下摩擦力最大。对于较细的纳米管来说，几何形状的限制导致不同材料层之间对不齐，此时里面的电子不容易自由跳跃，从而减小阻力，导致水流在细小的管道内流速更快。
早在2005年，科学家已经测量了水在碳纳米管内流动的速度，发现虽然它很细，水流量很少，但是由于石墨烯管壁很光滑，所以水流在里面几乎没有遇到阻力。但是2016年另一些研究人员发现，越粗的纳米管内水流遇到的阻力越大。这很奇怪，按理说不论纳米管的粗细，里面管壁都是一样光滑的。
直到这份研究，科学家才发现了在原子层面，纳米管材料内电子和水分子之间发生的量子效应。
研究解释说，石墨烯内有一些电子可以在材料内自由移动，而且，这些电子会与水分子发生电磁作用。虽然水分子不带电，但是从微观层面上说，水分子一端略带正电、另一端略带负电。这是因为水分子内的氧原子对于分子内的电子云（分子内所有的电子）的引力，比氢原子对电子云的引力略大一些。
研究者认为，水流经过纳米管的时候，石墨烯内的电子跟着水分子一起移动。但是，电子略微滞后一些。这就是他们所称的“量子摩擦力”。以前其它研究只在固体和固体之间的相互作用中发现。
在液体和固体的接触面上，情况更复杂一些，因为很多水分子一起发生作用，也就是说，在热能的作用下，电子和水分子还会一起振动。当两者频率一致的时候，就形成谐振，此时量子摩擦力增大。研究发现，纳米管各层材料对齐式叠加的情形下，谐振效应最显着，各层材料内的电子和水分子形成同步运动，也就是摩擦力最大。
研究者表示，这项发现仅从理论的角度解释了量子摩擦力的原理，还需要更多实验进行证实。
研究称，这项发现在碳纳米管材料的很多应用领域具有重要意义，比如海水盐分过滤厂、或是利用海水和淡水盐度差异发电的技术。越小的摩擦力意味着让水分通过管道所需耗费的能量越少。
（转自大纪元/责任编辑：叶萍）
