实验证明水可以与石墨烯中的电子进行“对话”
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。它可能比传统流动理论预期的要快得多，或者形成奇怪的排列，如方形冰。现在，来自曼彻斯特大学、德国迈恩茨马普高分子研究所和西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所的国际研究团队最近在《自然纳米技术》杂志上发表的一项研究中报告称，水可以直接与碳的电子进行相互作用：这是在流体动力学中非常不寻常的量子现象。这项研究的结果可能应用于水净化和脱盐过程，甚至可能应用于基于液体的计算机。
液体，如水，由不断随机移动并不断相互碰撞的小分子组成。相比之下，固体由整齐排列的原子组成，这些原子浸泡在一团电子云中。大家一直认为固体和液体世界只能通过液体分子与固体原子的碰撞进行相互作用：液体分子“看不到”固体的电子。然而，仅仅一年多以前，一项具有开创性意义的理论研究提出，在水-碳界面处，液体分子和固体电子相互推拉，从而减慢液体流动速度：这种新效应被称为“量子摩擦”。然而，这个理论提议缺乏实验验证。
“我们现在用激光看到了量子摩擦在起作用，”研究主要作者尼基塔·卡沃金博士解释道。该团队研究了石墨烯样品——一个以蜂窝图案排列的单层碳原子。他们使用超短红色激光脉冲（持续时间仅为一百万亿分之一秒）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其冷却过程，这种脉冲对石墨烯电子的温度敏感。这种技术被称为光泵-太赫兹探测（OPTP）光谱学。
令人惊讶的是，在石墨烯被浸入水中时，电子云冷却得更快，而将石墨烯浸入乙醇则不会对冷却速度产生影响。“这又是水-碳耦合特殊的另一个迹象，但我们仍然需要理解到底发生了什么。”卡沃金说。一个可能的解释是，热电子推拉水分子来释放部分热量：换句话说，它们通过量子摩擦冷却。研究人员深入探讨了理论，结果发现：水-石墨烯量子摩擦可以解释实验数据。
“看到石墨烯的载流子动力学不断以涉及固-液分子之间的意料之外机制来惊讶我们是令人着迷的，尤其是涉及到没有其他比无处不在的水更多的分子的固-液交互效应，”曼彻斯特大学高级讲师亚历山德罗·普林西说。该实验证实了固-液量子摩擦的基本机制。这将对过滤和脱盐过程产生影响，其中量子摩擦可用于调节纳米多孔膜的渗透性能。
这一发现得益于将实验系统、测量工具和理论框架结合在一起，这在实践中极少发生。现在的关键挑战是控制水-电子相互作用。“我们的目标是能够按需开启和关闭量子摩擦，”卡沃金说。“这样一来，我们就可以设计更智能的水过滤过程，甚至可能设计基于液体的计算机。”站在图上方的是：水-石墨烯量子摩擦（图片来源：露西·雷丁-伊卡安达/西蒙斯基金会）。
英国曼彻斯特大学的领先研究：先进材料是英国曼彻斯特大学的研究焦点之一，这些焦点代表了开创性的发现、跨学科合作和跨行业合作，探索解决一些世界上最重要问题。#研究焦点。分享这一消息，进一步阅读：“肥吞粗吐”
