每当您开始洗碗时，水在脏盘子上滑落的难易程度取决于盘子表面的不平和结痂程度。然而，在纳米尺度上，表面特征可能比人类头发的平均宽度小数十万倍，即使在看起来完全光滑的表面上，水也可能感受到摩擦。例如，考虑一下碳纳米管这个令人困惑的案例：实验表明，与常识相反，这些微小管道越窄，水在其中“感觉”到的摩擦就越小，由此产生的流动速度就越快。这与我们熟悉的宏观世界中管道的工作方式完全相反。
现在，经过数十年的困惑，纽约熨斗研究所和巴黎法国国家科学研究中心 (CNRS) 的物理学家们已经将这种奇怪的观察解释为量子力学的产物。他们发表在二月份的《自然》杂志上的这项工作揭示，重要的与其说是纳米管壁的表面，不如说是其内部电子的活动。这一见解可能会改进纳米管增强的应用，例如水净化。
“20年前，一项关于水流过碳纳米管膜的实验非常令人不安。它显示了极快的水流，”CNRS 物理学家、这项新研究的合著者吕德里克·博凯说。“我们启动了一个实验项目来测量单根纳米管内部的水流，结果得到了相同的结果。但我们无法解释它。”在博凯的叙述中，在所有常用的理论方法都失败后，他转向了合作者、该研究的第一作者尼基塔·卡沃金，他现在是熨斗研究所的博士后研究员，希望卡沃金能够运用量子力学有时很奇怪的规则来解释这个奇异的实验。“我们有一些想法，认为缺少一些成分，我们可能需要包含一些量子效应，但我们不知道我们必须走多远，”卡沃金回忆道。
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最终，为了找到长期寻求的答案，他们不得不放大到纳米尺度之外。研究小组没有仅仅考虑水分子如何摩擦碳原子，而是开发出描述水分子和碳原子内电子亚原子相互作用的方程。在这种观点下，碳纳米管壁从光滑、静态的表面转变为当受到扰动时会弯曲和起伏的动态电子池。这种不同的视角使研究人员能够将电子识别为碳纳米管和水之间摩擦的主要罪魁祸首。水分子在其每个末端都带有略微不同的电荷，因此当它们沿着纳米管壁流动时，这些壁内的电子会对分子轻微的电推做出反应，从而同步移动。因此，即使在完全光滑的纳米管内，摩擦仍然会发生，因为电子会随着水分子设定的节奏一致地舞动。在狭窄的碳纳米管中，碳原子数量较少，因此拖动水的电子也较少。在较宽的纳米管中，更多的电子可以加入公共舞蹈，效果会增强，水流也更不容易。
中国西湖大学物理学家窦文杰（未参与这项研究）表示，这种电子量子摩擦以前曾在金属表面上进行过研究，但详细计算一直具有挑战性。“精确计算电子摩擦的[形式]始终非常紧张，”他说，并补充说，物理学家们许多最喜欢的数学技巧和近似在这种情况下都失效了。CNRS 化学家、研究合著者玛丽-洛尔·博凯指出，对这个问题的计算攻击也无济于事。“最先进的模拟工具不足以解释实验，”她说。“这就是这件事令人兴奋的地方：我们必须超越最先进的水平。”
部分困难在于必须跟踪多少不同的量子相互作用才能模拟涌现效应；即使是最强大的计算机和最巧妙编程的软件也无法模拟每个水分子如何与每个其他水分子相互作用，每个电子如何与每个其他电子相互作用，以及所有水分子如何集体与所有电子的整个社区一次性相互作用，剑桥大学化学家克里斯托夫·施兰解释说，他也没有参与这项研究。为了应对这些复杂性，研究团队不得不使用复杂的数学方法，这些方法在流体研究中并不常见。
尽管这是理论物理学的一个进步，但这项研究确实具有明显的实际意义。例如，东北大学物理学家杰弗里·索科洛夫（未参与这项研究）表示，了解通过碳纳米管的流动可以改进海水淡化过程。“水通过过滤器时会遇到很大的摩擦。因此，知道您拥有这些摩擦力非常低的[碳]纳米管，这可能是一种非常好的海水淡化方法，”他解释道。他还渴望看到更多实验探索这项理论研究中详细描述的量子摩擦的基本原理。“人们必须做更多的实验，也许这篇论文会激发人们去做这些实验，”他说。
施兰对此表示赞同。“这种新的摩擦机制绝对非常有趣和令人兴奋，”他说。“但在我看来，缺少的是明确的基准测量。”例如，量化摩擦如何根据水与单层碳原子与多层碳原子的相互作用而变化，可能对充分验证新理论大有裨益，该理论预测，多层碳中更多的电子将增强摩擦。
研究团队已经在沿着这条道路前进，并梦想着超越眼前的目标。他们希望最终用除水以外的流动液体和由碳以外的元素组成的纳米管来测试他们的理论。在这种情况下，液体中的分子和纳米管壁内的电子将遵循不同的相互作用模式，可能导致量子摩擦程度的变化。吕德里克·博凯说，甚至有可能通过构建明确考虑电子行为的纳米管来控制流动液体所经历的摩擦量。
这项新研究为实验物理学家和理论物理学家未来多年的复杂探索奠定了基础，卡沃金认为，这也标志着物理学家应该如何思考摩擦的一个根本转变。“物理学家们长期以来一直认为纳米尺度的摩擦有所不同，但这种差异并不那么容易找到和描述，”他说。“他们梦想着在这些尺度上出现一些量子行为——现在我们已经展示了它是如何发生的。”