每當您開始洗碗時，水在髒盤子上滑落的難易程度取決於盤子表面的不平和結痂程度。然而，在奈米尺度上，表面特徵可能比人類頭髮的平均寬度小數十萬倍，即使在看起來完全光滑的表面上，水也可能感受到摩擦。例如，考慮一下碳奈米管這個令人困惑的案例：實驗表明，與常識相反，這些微小管道越窄，水在其中“感覺”到的摩擦就越小，由此產生的流動速度就越快。這與我們熟悉的宏觀世界中管道的工作方式完全相反。
現在，經過數十年的困惑，紐約熨斗研究所和巴黎法國國家科學研究中心 (CNRS) 的物理學家們已經將這種奇怪的觀察解釋為量子力學的產物。他們發表在二月份的《自然》雜誌上的這項工作揭示，重要的與其說是奈米管壁的表面，不如說是其內部電子的活動。這一見解可能會改進奈米管增強的應用，例如水淨化。
“20年前，一項關於水流過碳奈米管膜的實驗非常令人不安。它顯示了極快的水流，”CNRS 物理學家、這項新研究的合著者呂德里克·博凱說。“我們啟動了一個實驗專案來測量單根奈米管內部的水流，結果得到了相同的結果。但我們無法解釋它。”在博凱的敘述中，在所有常用的理論方法都失敗後，他轉向了合作者、該研究的第一作者尼基塔·卡沃金，他現在是熨斗研究所的博士後研究員，希望卡沃金能夠運用量子力學有時很奇怪的規則來解釋這個奇異的實驗。“我們有一些想法，認為缺少一些成分，我們可能需要包含一些量子效應，但我們不知道我們必須走多遠，”卡沃金回憶道。
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最終，為了找到長期尋求的答案，他們不得不放大到奈米尺度之外。研究小組沒有僅僅考慮水分子如何摩擦碳原子，而是開發出描述水分子和碳原子內電子亞原子相互作用的方程。在這種觀點下，碳奈米管壁從光滑、靜態的表面轉變為當受到擾動時會彎曲和起伏的動態電子池。這種不同的視角使研究人員能夠將電子識別為碳奈米管和水之間摩擦的主要罪魁禍首。水分子在其每個末端都帶有略微不同的電荷，因此當它們沿著奈米管壁流動時，這些壁內的電子會對分子輕微的電推做出反應，從而同步移動。因此，即使在完全光滑的奈米管內，摩擦仍然會發生，因為電子會隨著水分子設定的節奏一致地舞動。在狹窄的碳奈米管中，碳原子數量較少，因此拖動水的電子也較少。在較寬的奈米管中，更多的電子可以加入公共舞蹈，效果會增強，水流也更不容易。
中國西湖大學物理學家竇文傑（未參與這項研究）表示，這種電子量子摩擦以前曾在金屬表面上進行過研究，但詳細計算一直具有挑戰性。“精確計算電子摩擦的[形式]始終非常緊張，”他說，並補充說，物理學家們許多最喜歡的數學技巧和近似在這種情況下都失效了。CNRS 化學家、研究合著者瑪麗-洛爾·博凱指出，對這個問題的計算攻擊也無濟於事。“最先進的模擬工具不足以解釋實驗，”她說。“這就是這件事令人興奮的地方：我們必須超越最先進的水平。”
部分困難在於必須跟蹤多少不同的量子相互作用才能模擬湧現效應；即使是最強大的計算機和最巧妙程式設計的軟體也無法模擬每個水分子如何與每個其他水分子相互作用，每個電子如何與每個其他電子相互作用，以及所有水分子如何集體與所有電子的整個社群一次性相互作用，劍橋大學化學家克里斯托夫·施蘭解釋說，他也沒有參與這項研究。為了應對這些複雜性，研究團隊不得不使用複雜的數學方法，這些方法在流體研究中並不常見。
儘管這是理論物理學的一個進步，但這項研究確實具有明顯的實際意義。例如，東北大學物理學家傑弗裡·索科洛夫（未參與這項研究）表示，瞭解透過碳奈米管的流動可以改進海水淡化過程。“水透過過濾器時會遇到很大的摩擦。因此，知道您擁有這些摩擦力非常低的[碳]奈米管，這可能是一種非常好的海水淡化方法，”他解釋道。他還渴望看到更多實驗探索這項理論研究中詳細描述的量子摩擦的基本原理。“人們必須做更多的實驗，也許這篇論文會激發人們去做這些實驗，”他說。
施蘭對此表示贊同。“這種新的摩擦機制絕對非常有趣和令人興奮，”他說。“但在我看來，缺少的是明確的基準測量。”例如，量化摩擦如何根據水與單層碳原子與多層碳原子的相互作用而變化，可能對充分驗證新理論大有裨益，該理論預測，多層碳中更多的電子將增強摩擦。
研究團隊已經在沿著這條道路前進，並夢想著超越眼前的目標。他們希望最終用除水以外的流動液體和由碳以外的元素組成的奈米管來測試他們的理論。在這種情況下，液體中的分子和奈米管壁內的電子將遵循不同的相互作用模式，可能導致量子摩擦程度的變化。呂德里克·博凱說，甚至有可能透過構建明確考慮電子行為的奈米管來控制流動液體所經歷的摩擦量。
這項新研究為實驗物理學家和理論物理學家未來多年的複雜探索奠定了基礎，卡沃金認為，這也標誌著物理學家應該如何思考摩擦的一個根本轉變。“物理學家們長期以來一直認為奈米尺度的摩擦有所不同，但這種差異並不那麼容易找到和描述，”他說。“他們夢想著在這些尺度上出現一些量子行為——現在我們已經展示了它是如何發生的。”