水-石墨烯量子摩擦。图片来源:Lucy Reading-Ikkana/Simons Foundation
水和碳构成了量子偶:水在碳表面的流动受到一种被称为量子摩擦的不寻常现象的控制。
最近的一项研究提供了这种现象的实验证据——之前通过理论研究预测——发生在液态水和单层碳原子石墨烯的界面上。这项研究是利用先进的超快技术进行的。
这些结果可能会应用于水净化和海水淡化过程，甚至可能应用于基于液体的计算机。
在过去的20年里，科学家们一直对水在碳表面附近的行为感到困惑。它的流动速度可能比传统流动理论预测的要快得多，或者形成奇怪的排列，比如方形冰。
现在，来自德国美因茨Max Plank聚合物研究所、加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(ICN2，西班牙)和曼彻斯特大学(英国)的一个国际研究小组在2023年6月22日发表在《自然纳米技术》上的一项研究中报告说，水可以直接与碳的电子相互作用:这是一种在流体动力学中非常不寻常的量子现象。
液体，比如水，是由小分子组成的，这些小分子随机移动并不断相互碰撞。相比之下，固体是由排列整齐的原子组成的，这些原子沐浴在电子云中。固体和液体世界被认为只通过液体分子与固体原子的碰撞而相互作用:液体分子看不到固体的电子。
然而，就在一年前，一项改变范式的理论研究提出，在水-碳界面，液体分子和固体电子相互推拉，减缓了液体的流动:这种新效应被称为量子摩擦。然而，理论建议缺乏实验验证。
“我们现在已经使用激光来观察量子摩擦的作用，”该研究的主要作者尼基塔·卡沃金博士解释说，他是美因茨马克斯·普朗克研究所和纽约熨斗研究所的研究员。
研究小组研究了一个石墨烯样品——一层单层碳原子呈蜂窝状排列。他们使用超短的红色激光脉冲(持续时间只有十亿分之一秒的百万分之一)来瞬间加热石墨烯的电子云。
然后他们用太赫兹激光脉冲监测它的冷却，太赫兹激光脉冲对石墨烯电子的温度敏感。这种技术被称为光泵浦-太赫兹探针(OPTP)光谱学。
令他们惊讶的是，当石墨烯浸入水中时，电子云冷却得更快，而将石墨烯浸入乙醇中对冷却速度没有影响。
“这是另一个表明水-碳对在某种程度上是特殊的，但我们仍然必须了解到底发生了什么，”Kavokine说。
一种可能的解释是，热电子对水分子的推拉作用释放了一些热量:换句话说，它们通过量子摩擦冷却。研究人员深入研究了这个理论，确实:水-石墨烯量子摩擦可以解释实验数据。
来自ICN2(西班牙)和埃因霍温理工大学(荷兰)的Klaas-Jan Tielrooij教授评论说:“看到石墨烯的载流子动力学以意想不到的机制让我们惊讶，这一次涉及到与分子的固液相互作用，而不是无处不在的水。”
水的特殊之处在于它的振动(称为氢离子)与石墨烯电子(称为等离子体激元)的振动是同步的，因此石墨烯-水的热传递通过一种称为共振的效应得到加强。
实验证实了固液量子摩擦的基本机理。这将对过滤和脱盐过程产生影响，在这些过程中，量子摩擦可以用来调节纳米多孔膜的渗透特性。
“我们的发现不仅对物理学家来说很有趣，而且对固液界面的电催化和光催化也有潜在的影响，”美因茨马克斯普朗克研究所的博士生、该研究的第一作者余晓青(音)说。
这一发现归结于将一个实验系统、一个测量工具和一个理论框架结合在一起，而这三者很少齐头并进。现在的关键挑战是如何控制水电子的相互作用。
“我们的梦想是根据需要打开和关闭量子摩擦，”Kavokine说。“通过这种方式，我们可以设计更智能的水过滤过程，甚至是基于流体的计算机。”
参考文献:“等离子体-氢共振增强石墨烯中的电子冷却”，作者:Xiaoqing Yu, Alessandro Principi, Klaas-Jan Tielrooij, Mischa Bonn和Nikita Kavokine, 2023年6月22日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 023 - 01421 - 3
