在经典物理学的认知中,摩擦现象似乎有着明确的规律:接触面越粗糙、压力越大,摩擦力通常就越大。这一规律早已成为人们生活中的常识,从铅笔在纸上留下痕迹,到汽车刹车时因摩擦生热,都能看到它的影子。然而,当科研的视野拓展到纳米尺度的微观世界,那些熟悉的物理定律却开始“失灵”,展现出令人意想不到的一面。
近期,中国科学院兰州化学物理研究所的科研团队取得了一项重要突破,首次在固体之间直接观测到了一种全新的现象——量子摩擦。这一发现让摩擦的表现完全超出了人们平时的想象,为微观世界的物理研究打开了新的大门。
为了揭开量子摩擦的神秘面纱,科研人员将目光投向了材料科学领域的“明星”——石墨烯。石墨烯仅有一个原子那么薄,却具备坚硬如钢的特性和优异的导电性能,还能像纸一样被折叠。科研人员运用原子力显微镜的探针,这根超细的“纳米手指”被用来推动石墨烯的边缘,将其像折纸一样翻起,仿佛在用世界上最薄的纸片玩叠叠乐。
深入探究这种反常摩擦的背后,原来是石墨烯折叠后产生的“赝磁场”在起作用。这个赝磁场并非磁铁那种真正的磁场,而是由石墨烯在折叠时产生的不均匀应变造成的。在电子的“视角”里,赝磁场的作用就如同一个真实的磁场,会迫使电子在材料里绕圈运动,形成一种名为伪朗道能级的量子状态。
在普通情况下,电子的运动就像广场上随意走动的人群,频繁碰撞并消耗能量;而在伪朗道能级里,电子变得像排好队、有秩序行走的人群,碰撞减少,能量消耗也随之降低。由于摩擦力本质上是能量耗散的体现,因此摩擦力会显著下降。这种“电子有序运动”的场景,正是量子摩擦得以出现的根源。
这项研究颠覆了人们以往对摩擦的认知。在我们的直觉中,越高的台阶、越陡的坡道,意味着障碍越大,摩擦阻力也越强。但在量子世界里,决定摩擦大小的不仅仅是台阶的高度或表面的粗糙度。材料的微观结构、电子的量子态,甚至折叠时的曲率,都会改变摩擦的规律。这就好比影响一辆车行驶速度的,不只是路的坡度,还有交通拥堵情况。
量子摩擦的发现不仅在基础物理领域具有重要意义,还可能对工程应用产生深远影响。一旦科研人员能够控制这种“量子状态”,就有可能制造出在微观尺度上几乎“无摩擦”的材料。例如,纳米机器人能够在微小的血管里更自由地穿梭,不被阻力拖慢速度;精密机械部件的磨损将大大减小,使用寿命得以大幅延长。
在宏观世界,摩擦是消耗能量的“主要因素”;而在微观世界,科研人员正尝试借助量子规则重新塑造摩擦,让它从消耗能量的“敌人”转变为助力科技发展的“朋友”。这一发现或许将成为下一代低能耗、高效率科技的起点,为未来的科技发展带来无限可能。