在經典物理學的認知中,摩擦現象似乎有著明確的規律:接觸面越粗糙、壓力越大,摩擦力通常就越大。這一規律早已成為人們生活中的常識,從鉛筆在紙上留下痕跡,到汽車剎車時因摩擦生熱,都能看到它的影子。然而,當科研的視野拓展到納米尺度的微觀世界,那些熟悉的物理定律卻開始“失靈”,展現出令人意想不到的一面。
近期,中國科學院蘭州化學物理研究所的科研團隊取得了一項重要突破,首次在固體之間直接觀測到了一種全新的現象——量子摩擦。這一發現讓摩擦的表現完全超出了人們平時的想象,為微觀世界的物理研究打開了新的大門。
為了揭開量子摩擦的神秘面紗,科研人員將目光投向了材料科學領域的“明星”——石墨烯。石墨烯僅有一個原子那么薄,卻具備堅硬如鋼的特性和優異的導電性能,還能像紙一樣被折疊。科研人員運用原子力顯微鏡的探針,這根超細的“納米手指”被用來推動石墨烯的邊緣,將其像折紙一樣翻起,仿佛在用世界上最薄的紙片玩疊疊樂。
深入探究這種反常摩擦的背后,原來是石墨烯折疊后產生的“贗磁場”在起作用。這個贗磁場并非磁鐵那種真正的磁場,而是由石墨烯在折疊時產生的不均勻應變造成的。在電子的“視角”里,贗磁場的作用就如同一個真實的磁場,會迫使電子在材料里繞圈運動,形成一種名為偽朗道能級的量子狀態。
在普通情況下,電子的運動就像廣場上隨意走動的人群,頻繁碰撞并消耗能量;而在偽朗道能級里,電子變得像排好隊、有秩序行走的人群,碰撞減少,能量消耗也隨之降低。由于摩擦力本質上是能量耗散的體現,因此摩擦力會顯著下降。這種“電子有序運動”的場景,正是量子摩擦得以出現的根源。
這項研究顛覆了人們以往對摩擦的認知。在我們的直覺中,越高的臺階、越陡的坡道,意味著障礙越大,摩擦阻力也越強。但在量子世界里,決定摩擦大小的不僅僅是臺階的高度或表面的粗糙度。材料的微觀結構、電子的量子態,甚至折疊時的曲率,都會改變摩擦的規律。這就好比影響一輛車行駛速度的,不只是路的坡度,還有交通擁堵情況。
量子摩擦的發現不僅在基礎物理領域具有重要意義,還可能對工程應用產生深遠影響。一旦科研人員能夠控制這種“量子狀態”,就有可能制造出在微觀尺度上幾乎“無摩擦”的材料。例如,納米機器人能夠在微小的血管里更自由地穿梭,不被阻力拖慢速度;精密機械部件的磨損將大大減小,使用壽命得以大幅延長。
在宏觀世界,摩擦是消耗能量的“主要因素”;而在微觀世界,科研人員正嘗試借助量子規則重新塑造摩擦,讓它從消耗能量的“敵人”轉變為助力科技發展的“朋友”。這一發現或許將成為下一代低能耗、高效率科技的起點,為未來的科技發展帶來無限可能。











