摩擦力的“常識(shí)”在微觀世界里被打破了？

生活中，我們每天都在和摩擦打交道。鉛筆能在紙上留下痕跡，是因?yàn)殂U芯和紙面之間的摩擦；汽車在緊急剎車時(shí)會(huì)發(fā)熱，是因?yàn)槟Σ翆?dòng)能轉(zhuǎn)化成了熱能；冰面比水泥地更滑，是因?yàn)楸谋砻娓庸饣秸?。在?jīng)典物理學(xué)中，摩擦的大小主要取決于接觸面的粗糙程度——表面越粗糙、壓力越大，摩擦力通常越大。這個(gè)規(guī)律幾乎是常識(shí)。

然而，當(dāng)科研人員把目光放到納米尺度的微觀世界時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)事情并不簡(jiǎn)單！在微觀世界里，電子、原子這些微觀粒子的行為，會(huì)讓我們熟悉的物理定律“翻車”。最近，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)，就首次在固體之間直接觀測(cè)到了一種全新的現(xiàn)象—量子摩擦。它讓摩擦的表現(xiàn)，完全超出了我們平時(shí)的想象。

實(shí)驗(yàn)突破：科研人員如何“看到”量子摩擦？

為了捕捉這個(gè)神秘的量子摩擦，科研人員們選擇了材料科學(xué)的“明星”——石墨烯。石墨烯只有一個(gè)原子那么薄，卻堅(jiān)硬如鋼、導(dǎo)電性能優(yōu)異，還能被像紙一樣被折疊。研究人員用原子力顯微鏡的探針，就像用一根超細(xì)的“納米手指”去推石墨烯的邊緣，把它像折紙一樣翻起來(lái)。你可以想象成“用世界上最薄的紙片玩疊疊樂(lè)”。

在普通的石墨烯邊緣上，摩擦力會(huì)隨著臺(tái)階高度增加而穩(wěn)步增大，這符合經(jīng)典規(guī)律。但在折疊后的石墨烯邊緣上，摩擦力的變化卻出現(xiàn)了反常：在層數(shù)較少時(shí)，它的摩擦力增長(zhǎng)曲線很奇怪，不是直線，而是呈指數(shù)式上升；當(dāng)層數(shù)達(dá)到一定值后，它又恢復(fù)為正常的線性變化。這個(gè)獨(dú)特的摩擦曲線，正是量子摩擦的標(biāo)志性信號(hào)，也是科研人員們第一次在固體-固體界面上直接看到這種現(xiàn)象。

量子摩擦的奧秘：材料變形如何讓摩擦力“消失”？

這種反常摩擦的背后，是石墨烯折疊后產(chǎn)生的“魔法”——贗磁場(chǎng)。別被名字嚇到，這個(gè)磁場(chǎng)并不是磁鐵那種真正的磁場(chǎng)，而是由石墨烯在折疊時(shí)產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變?cè)斐傻?。在電子看?lái)，它的作用就像一個(gè)真實(shí)的磁場(chǎng)，會(huì)迫使電子在材料里繞圈運(yùn)動(dòng)，形成一種叫偽朗道能級(jí)的量子狀態(tài)。

在普通情況下，電子的運(yùn)動(dòng)類似廣場(chǎng)上隨意走動(dòng)的人群，經(jīng)常碰撞、消耗能量；而在偽朗道能級(jí)里，電子變得像排好隊(duì)、有秩序地行走的人群—碰撞減少，能量消耗自然也少。摩擦力，本質(zhì)上就是能量耗散的體現(xiàn)，因此會(huì)顯著下降。這種“電子有序運(yùn)動(dòng)”的場(chǎng)景，正是量子摩擦得以出現(xiàn)的根源。

顛覆認(rèn)知：摩擦不一定越“高”越“強(qiáng)”

在我們的直覺(jué)中，越高的臺(tái)階、越陡的坡道，越難爬上去；在物理上，這意味著障礙越大，摩擦阻力也越強(qiáng)。但這項(xiàng)研究表明，在量子世界里，決定摩擦大小的，不僅僅是臺(tái)階的高度或表面的粗糙度。材料的微觀結(jié)構(gòu)、電子的量子態(tài)，甚至折疊時(shí)的曲率，都會(huì)改變摩擦的規(guī)律。這就像告訴你，影響一輛車行駛速度的，可能不只是路的坡度，還有交通擁堵情況。

一旦我們能夠控制這種“量子狀態(tài)”，就能制造出在微觀尺度上幾乎“無(wú)摩擦”的材料。例如，讓納米機(jī)器人在微小的血管里更自由穿梭，而不被阻力拖慢；或者制造出磨損極小的精密機(jī)械部件，大大延長(zhǎng)其使用壽命。

結(jié)語(yǔ)：量子摩擦?xí)淖兾磥?lái)科技嗎？

量子摩擦的發(fā)現(xiàn)，不僅是一項(xiàng)基礎(chǔ)物理的突破，也可能對(duì)工程應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。想象一下，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)中，關(guān)鍵部件或許能在幾乎沒(méi)有能耗的條件下運(yùn)行；航天器的關(guān)鍵零件可能長(zhǎng)時(shí)間工作而不易磨損；甚至我們可以制造出像冰面一樣順滑的人工界面，讓固體“輕柔”地滑過(guò)彼此。

在宏觀世界，摩擦是消耗能量的“主要因素”；但在微觀世界，科研人員正在嘗試通過(guò)量子規(guī)則重新塑造摩擦，讓它從敵人變成朋友。這，也許是下一代低能耗、高效率科技的起點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

1. Xinchen Gao, et al."Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge."Nature Communications 16.1(2025):5558-5558.

出品：科普中國(guó)

作者：龔珍彬、高新晨（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所

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