不见的能量杀手：物理学家现在可以控制设备中的“隐藏”摩擦力

你可能以为，只要把两个表面打磨得足够光滑，摩擦就会消失。但物理学家告诉你，这只是故事的一半。即使表面光滑如镜，物体内部那片浩瀚的"电子海洋"仍在悄无声声地吞噬能量。现在，清华大学和中科院的科学家们分别找到了控制这种"隐形摩擦"的方法，这可能彻底改变未来电子设备的能效表现。

清华大学徐志平教授团队在2026年初发表的研究中，设计了一种由石墨和半导体材料组成的双层器件。这些材料本身就是优秀的固体润滑剂，机械摩擦几乎为零。这让研究人员得以专注于更隐蔽的能量损耗机制：电子摩擦。徐志平解释说："即使表面完美滑动，机械运动仍然会搅动材料内部的电子海洋。"

听起来很抽象？想象一下，你在水池里移动一块木板，即使木板表面再光滑，水的阻力依然存在。电子摩擦就是类似的道理，只不过这片"海洋"是由数以万亿计的电子构成的。

量子世界的摩擦革命

更令人兴奋的突破来自中科院兰州化学物理研究所。张俊彦教授和龚振斌副教授带领的团队，在2025年首次在固体界面上实验观测到量子摩擦现象，相关成果发表在《自然通讯》杂志上。

研究团队利用纳米操纵技术，构建了具有可控曲率和层数的折叠石墨烯边缘拓扑结构。系统测量发现，折叠石墨烯边缘的摩擦力随层数呈现显著的非线性变化，挑战了经典摩擦定律在固固界面的适用性。通过精细实验和理论分析，团队揭示了微观机制：折叠石墨烯中的非均匀应变诱发了特殊的磁场效应，导致其电子结构发生改变。

这种电子结构的改变抑制了能量耗散过程，将能量耗散从连续模式转变为量子跃迁模式。它还延长了热电子的冷却时间，从而有效降低摩擦。张俊彦指出，这项研究首次提供了固固界面量子摩擦的实验证据，建立了基于拓扑结构调控能量耗散的新研究框架，证明了通过量子态控制界面摩擦的可行性。

从开关到调节旋钮

清华大学的研究更进一步，展示了多种控制电子摩擦的方法。研究人员通过施加压力完全关闭了电子摩擦，压力使层间电子共享状态，而不是以能量耗散的方式相互作用。他们还通过添加"偏置电压"控制电子海洋的激发程度，就像给能量耗散装上了一个总开关。

更精妙的是，通过改变器件两个不同部分的电压，从而影响电子在其中的流动难易程度，研究人员实现了对电子摩擦强度的精细调节。这不再是简单的开关，而是一个可以连续调节的控制旋钮。

北卡罗来纳州立大学的杰奎琳·克里姆教授是电子摩擦研究的先驱之一。她的团队早在1998年就利用超导体材料首次观察到电子摩擦在特殊状态下消失的现象。克里姆说，理想情况就像使用智能手机应用程序来调节鞋底的摩擦力，比如从结冰的人行道走进铺有地毯的房间时实时调整。"目标是实现这种实时远程控制，无需停机或材料浪费。为此，我们需要一种能够响应外部场并产生所需摩擦水平的材料。"

重塑未来设备的能效格局

这些突破的意义远不止学术价值。在纳米器件和量子计算机中，电子摩擦常常是能量损耗的主要来源。传统润滑剂在这些微小尺度上无能为力，而电子摩擦控制技术提供了全新的解决方案。

发表在《自然通讯》上的另一项研究揭示了电子摩擦能量耗散的超快动力学过程。研究发现，电子摩擦的能量耗散时间尺度可以短至皮秒级别，这意味着控制这一过程需要极其精确的技术手段。

从智能手机到数据中心，从电动汽车到量子计算机，现代电子设备的能耗问题日益严峻。全球数据中心的能耗预计到2030年将翻一番，而其中相当一部分能量以摩擦和热的形式被浪费掉。如果能够有效控制电子摩擦，即使只是减少10%的能量损耗，对全球能源消耗的影响也将是巨大的。

徐志平承认，管理设备中所有类型的摩擦仍然困难重重，部分原因是研究人员尚未开发出严格关联各种摩擦机制的数学模型。然而，在电子摩擦占主导地位的情况下，比如在纳米机电系统和拓扑量子材料中，他们团队的发现已经具有应用前景。

克里姆教授指出，自1998年以来，研究人员一直在开发新方法来控制电子摩擦，而无需完全更换材料或在设备中添加新的润滑剂。清华和中科院的最新成果代表了这一领域的重要进展，让"摩擦控制器"从科幻概念向现实应用迈进了一大步。

从经典到量子的范式转变

这些研究共同揭示了一个深刻的物理图景：在微观尺度上，经典摩擦定律失效，量子效应开始主导能量耗散过程。中科院的研究证明，能量耗散可以从连续模式转变为量子跃迁模式，这意味着我们对摩擦的理解需要从根本上更新。

更重要的是，这些发现为设计新一代低能耗设备开辟了道路。通过精心设计材料的拓扑结构和电子态，工程师们或许能够制造出几乎无摩擦的纳米机械，或者能够按需调节摩擦水平的智能器件。

当然，从实验室到市场还有很长的路要走。目前的研究主要集中在石墨烯等特殊材料上，如何将这些技术推广到更广泛的材料体系，如何在室温和常压下实现稳定的摩擦控制，这些都是未来需要解决的挑战。

但毫无疑问，物理学家已经打开了通往"无摩擦未来"的大门。那个曾经隐藏在原子深处、悄无声息吞噬能量的电子摩擦，终于被人类驯服了。