北京
你有没有想过，摩擦可以不需要接触？我们通常认为，物体要相对运动并且表面贴在一起，才会产生阻力。但最近一项发表在《自然》上的研究，给这个常识画上了一个问号。科学家把石墨烯纳米管泡在水里，用光去照它。按照一般的物理直觉，光照带来的热量会让液体中的粒子运动得更快——热能让分子动能增加，扩散加速。然而，实验看到的现象恰好相反：光越强，纳米管的运动反而越慢。一种看不见的拖拽力在起作用。
故事的主角是德国波鸿鲁尔大学的物理化学家塞巴斯蒂安·克鲁斯和他的团队。他们关注的不是日常的机械摩擦，而是发生在水与碳材料界面上的一种量子效应。此前已有线索：2022年，研究人员发现水流过碳纳米管时，水分子上不断涨落的电荷会与管壁上的电子发生电磁作用，在完全没有粗糙接触的情况下，产生极微弱的阻力。去年，中国科学院兰州化学物理研究所的一个团队又观察到，将超薄石墨烯片折叠会激发电子结构变化，使折叠边缘的摩擦偏离了通常的线性规律。这些发现都在暗示，量子世界里存在着另一套“摩擦”剧本。
克鲁斯团队的新实验把光源加入了变量。他们让石墨烯纳米管悬浮在水中，然后用不同亮度的光照射，同时追踪纳米管的运动轨迹。光越亮，水温越高，按照扩散定律，纳米管应该跑得更快。但结果让研究者意外：纳米管的扩散反而被抑制了。光照越强，这种“刹车”效果越明显。这意味着，有一种随着光强增加的摩擦正在阻碍运动，而且它并不是来自传统的接触摩擦。
那么，这股摩擦力是怎么冒出来的？研究人员把原因归结为量子摩擦。当光照在石墨烯表面，光子的能量激发了电荷密度的涨落，形成不断振荡的电荷分布。这些涨落的电荷就像无数微小天线，与周围水分子中的电荷发生电磁耦合。水分子的正电荷在流动中不断起伏，与石墨烯表面被光激发的电荷“异步拉扯”，结果产生了一个拖拽力。这种电磁相互作用带来的摩擦，并不需要两个表面真正紧贴，只要电荷能够彼此感应就够了。
克鲁斯在论文中解释了背后的理论依据：“当物质表面的响应函数与溶剂的低频光谱重叠时，摩擦就会增加……这在碳-水界面的流体动力学摩擦异常和石墨烯中热电子在水的快速冷却现象中都有体现。”说通俗一点：石墨烯表面电荷振荡的节奏，恰好和周围水分子慢速运动的频率重合了，于是两者之间发生了非常有效的能量交换——电子把能量快速传递给水分子，自身运动受阻，宏观上就表现为纳米管被“拖住”了。
这个发现还有一层更深的含义。它表明，在纳米尺度下，摩擦不再是只和表面粗糙度有关的老概念，而是可能被光、电磁场等远程因素精准调控。也许在未来，我们能够利用这种无接触的量子摩擦，设计出用光来控制纳米流体运动的器件。当然，现在这一切还只是基础研究的范畴，离实际应用有相当的距离。但正如许多科学突破的开端一样，当我们看见光居然能产生摩擦，而且不需要碰触任何东西，一个更大的想象空间已经悄悄打开了。
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