科学家刚刚发现光能够创造摩擦——无需接触
Elizabeth Rayne
Fri, July 24, 2026 at 9:30 PM GMT+8

科学家发现了无接触摩擦。030055 - Getty Images
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这里是当你阅读本故事后你将学到的：
• 通常，摩擦需要两个表面相互摩擦。 但研究人员现已证实在量子领域毕竟不用任何物理接触摩擦也能发生。
• 当科学家将石墨烯纳米管浸入水中并将它们暴露到光时他们发现了更亮、更热的光照造成纳米管减速下来而非加速起来——热能通常对液体中粒子做的的相反。
• 罪魁祸首是量子摩擦，被光产生的在石墨烯表面上的波动电荷与周围水分子相互作用创造一种随光照增加的滞后力。
从轮胎到冲浪板一切的复仇女神，但当到打滑或引燃火柴时是一个英雄——摩擦是当表面相互摩擦时减缓运动的阻力。 这是抓地鞋底和对一面镜子照耀光洁的“魔法”广告衣服之后的力。 摩擦被物理接触弄得可能的，至少在常规条件下。 但当你完全消除接触时会发生什么呢？
我们的摩擦的理解被一种诡异的量子现象重新定义。 2022年，研究人员发现水分子的正电荷随它流过一个碳纳米管波动与管壁中的负电荷电子相互作用。 结果是一个在水和碳界面上微乎其微量的摩擦——不从表面粗糙度发生，而是从电磁相互作用。然后去年中国兰州化学物理研究所的一个研究团队观察到折叠的超薄石墨烯片通过激发它们改变了结构，造成在折叠边缘上的摩擦从通常的线性模式偏差。
要建立在这些发现上，德国波鸿鲁尔大学的物理化学家塞巴斯蒂安•克鲁斯调查了当石墨烯纳米管浸入水中并暴露到强度逐渐增强的光时发生了什么。结果蔑视了预料——但不以你可能认为的方式：通常更高的热能造成颗粒更快扩散过一个液体，因为扩散被动能驱动：越热意味着越多分子运动以更高速度更快发生。然而当克鲁斯和他的团队追踪了纳米管时他们发现了相反的：在更明亮、更热的光下纳米管不是加速起来而是减慢了下来——扩散降低了因为一种意想不到的摩擦的源正在工作反对它。
他在最近发表于《自然》杂志的一项研究中说：“当基底的表面响应函数与溶剂的低频谱重叠时摩擦被预计来增加……这被在水-碳界面上流体力学摩擦中的异常和被石墨烯在水中热电子的快速冷却证实” 。
如此什么正在创造这种无接触阻力呢？ 答案在于石墨烯的超常属性。 尽管难以置信的薄超强，石墨烯有约为钢材的200倍的强度但仅单个原子厚，它比典型的人类头发更细十万倍。 一片碳原子的单页以一种完美晶格排列赋予它一个难以置信的光滑性，无在大多数材料上发现的凸起或缺陷，甚至那些对肉眼出现无缺陷的。 这种光滑性从表面排除传统的摩擦。 而这种阻力的源是电子：宛如在光照下发光的管正在移动穿过某些比水更厚的东西一样。
这里是为什么： 光正在将电子转化为激子——即由一个已经被激发到一个更高能级的电子和在它的原位置中留下的带正电的“空穴”组成的对。 电子的负电荷和空穴的正电荷相互抵消，因此激子不携带净电荷。 但它们仍能传递能量和发射光，这解释管的荧光辉光。 关键是在石墨烯表面上激子的形成创造在材料内波动的电荷。 这些波动传递动量到在石墨烯-水界面上的 H₂O 分子，产生阻力。 越光照意味着越多的激子，这意味了更多的摩擦和更多的减速——全都没有任何的一起物理上摩擦着。
研究人员用太赫兹（THz）光谱仪验证了这一机制，并发现消除激子完全的消除摩擦。这一发现为实际应用打开大门：通过用光操纵量子摩擦科学家能潜在的按需加速或减缓化学反应。甚至更诱人的是，被设计来探索从人类身体内部到马里亚纳海沟最深处以前难以抵达地方的纳米机器人未来可能被仅通过调节触发该效应的光掌舵。
克鲁斯说，“光诱导的运动减速能被物理上或化学上操纵来影响在水溶液中纳米材料的运动，我们能期望来控制微泳剂或纳米机器人的未来方法。这些发现还引发是否该效应也可能存在于其他有高激子迁移率/电荷波动系统中的疑问” 。
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