在当今时代,物理学已经分裂成两个世界:经典和量子。描述大尺度事物(例如行星)的经典物理学在描述纳米级事物时开始崩溃,物理学家必须使用量子物理学来描述任何更小的事物。这创造了两个如此不同的学科,以至于许多物理学家已经成为只从一个角度工作的专家。
但有时经典世界和量子世界会发生冲突。理论物理学家尼基塔·卡沃金 ( Nikita Kavokine ) 就是这样一位科学家,致力于了解当量子动力学在更大范围内影响物理学时会发生什么。这项工作让人们对液体和固体相互作用时纳米尺度上发生的事情有了惊人的见解,例如 Kavokine 最近发现碳纳米管壁中的电子与流过它们的水产生摩擦——这一发现解决了一个几十年前的谜团。
Kavokine 是纽约市熨斗研究所计算量子物理中心的研究员,也是马克斯普朗克 – 纽约非平衡量子现象中心的研究员。在获得奖学金之前,他在巴黎高等师范学院获得了学士、硕士和博士学位。
Kavokine 最近与西蒙斯基金会谈论了他的工作及其许多应用。为清楚起见,已对对话进行了编辑。
你最近发现了一个关于量子摩擦的重大发现。你能解释一下这个突破吗?
我们中的许多人都熟悉我们在高中物理课上学到的摩擦概念,这解释了为什么将盒子推过厚厚的毛绒地毯和光滑的木地板之间存在差异。事实证明,在量子水平上也存在摩擦。量子摩擦基本上是一种发生在液体和固体之间的摩擦,它来自固体中电子的量子动力学。在我们最近的Nature论文中,我们提出这种量子摩擦可以解决流体动力学中长期存在的难题,我们违反直觉地发现流经微小碳纳米管的水在较小的管道中流动得更快。
这项工作令人兴奋,因为它连接了流体动力学和凝聚态物理学。以前,研究流体动力学的人认为墙壁只是墙壁。他们不在乎墙壁是用什么做的。而研究这些墙壁内部发生了什么的凝聚态物理学家只研究了固体材料内部电子的复杂动力学。但人们并没有真正关注这两者之间的界面会发生什么。
事实上,当您开始观察微小管道(例如碳纳米管)中的液体流动时,该界面处发生的情况变得很重要。我们证明,在小尺度上,流体流动确实与壁内的电子动力学耦合。本质上,水分子和固体壁内的电子相互推拉。
这一发现有哪些实际应用?
这主要与膜技术应用有关,例如过滤或海水淡化。然而,我们的研究结果也适用于某些利用水盐度差异的能源生产方法。当您过滤水时,您必须将水推过膜上的小孔。如果摩擦力很大,那么这种推动就需要更多的力量和能量。了解如何在非常小的范围内确定摩擦可以帮助我们设计具有较低摩擦特性的材料,这可以帮助节省能源,从而在使用它们时降低成本。
已经有几个研究人员合作通过实验验证我们的预测,其中包括德国美因茨马克斯普朗克聚合物研究所的一个小组。他们已经能够在固液界面照射激光并确定水分子的一些非常精细的特性。通过这项技术,他们直接观察到了量子摩擦机制的基本组成部分之一:水分子的振动与固体石墨烯中电子的特定振动之间的相互作用。这是我们预测的量子摩擦机制的核心。
为什么你认为以前人们没有把这两个领域放在一起?
首先,纳米级流体流动的实验大约在 20 年前才开始,在此之前,显然没有必要将这两个领域放在一起。其次,我认为在这两个领域工作的人来自非常不同的背景,所以很少有人同时了解它们。我来自流体动力学和统计力学领域,必须在现场学习这项工作所需的大量量子和凝聚态物理。实际上,这正是我申请熨斗学院的原因。我想和专门研究电子动力学的人一起工作,看看我们是否可以一起寻找与流体动力学的更多联系。
我相信这项工作可以代表量子物理学和流体动力学交叉领域的一个新研究领域。我希望有更多的人参与进来,我们会发现更多令人兴奋的新事物。
为什么你认为在如此小的尺度上研究这些东西很重要?这又如何转化为我们的日常生活?
首先,我认为有一个基本的方面。这是我们想要了解世界是如何构建的以及支配它的物理原理的更大图景的一部分。作为物理学家,我们对找到新方法来思考这些纳米级流体系统的可能性感到非常兴奋。
然后,这项研究也有非常实用的一面。过去,在像这样的基本发现与创新和应用之间有一条很短的路。在我以前的实验室中,2013 年有一个关于水流经氮化硼纳米管的基本发现,该想法已被一家初创公司采纳,该公司已筹集数百万欧元,开始在罗纳河上建造清洁发电厂法国,非常令人兴奋。
就个人而言,我受到以下事实的激励:我们可以使用非常抽象但优美的理论技术来描述非常具体的事物,例如流过小管道的水。
原文: https://www.simonsfoundation.org/2022/05/06/the-quantum-plumber/