當固體“悄悄”滑過：科研人員首次捕捉到量子摩擦的奇妙現象

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，是因爲鉛芯和紙面之間的摩擦；汽車在緊急剎車時會發熱，是因爲摩擦將動能轉化成了熱能；冰面比水泥地更滑，是因爲冰的表面更加光滑平整。在經典物理學中，摩擦的大小主要取決於接觸面的粗糙程度——表面越粗糙、壓力越大，摩擦力通常越大。這個規律幾乎是常識。

然而，當科研人員把目光放到納米尺度的微觀世界時，卻發現事情並不簡單！在微觀世界裏，電子、原子這些微觀粒子的行爲，會讓我們熟悉的物理定律“翻車”。最近，中國科學院蘭州化學物理研究所的科研團隊，就首次在固體之間直接觀測到了一種全新的現象——量子摩擦。它讓摩擦的表現，完全超出了我們平時的想象。

圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛

實驗突破：

科研人員如何“看到”量子摩擦？

爲了捕捉這個神祕的量子摩擦，科研人員們選擇了材料科學的“明星”——石墨烯。石墨烯只有一個原子那麼薄，卻堅硬如鋼、導電性能優異，還能被像紙一樣被摺疊。研究人員用原子力顯微鏡的探針，就像用一根超細的“納米手指”去推石墨烯的邊緣，把它像摺紙一樣翻起來。你可以想象成“用世界上最薄的紙片玩疊疊樂”。

在普通的石墨烯邊緣上，摩擦力會隨着臺階高度增加而穩步增大，這符合經典規律。但在摺疊後的石墨烯邊緣上，摩擦力的變化卻出現了反常：在層數較少時，它的摩擦力增長曲線很奇怪，不是直線，而是呈指數式上升；當層數達到一定值後，它又恢復爲正常的線性變化。這個獨特的摩擦曲線，正是量子摩擦的標誌性信號，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象。

量子摩擦的奧祕：

材料變形如何讓摩擦力“消失”？

這種反常摩擦的背後，是石墨烯摺疊後產生的“魔法”——贗磁場。別被名字嚇到，這個磁場並不是磁鐵那種真正的磁場，而是由石墨烯在摺疊時產生的不均勻應變造成的。在電子看來，它的作用就像一個真實的磁場，會迫使電子在材料裏繞圈運動，形成一種叫僞朗道能級的量子狀態。

在普通情況下，電子的運動類似廣場上隨意走動的人羣，經常碰撞、消耗能量；而在僞朗道能級裏，電子變得像排好隊、有秩序地行走的人羣—碰撞減少，能量消耗自然也少。摩擦力，本質上就是能量耗散的體現，因此會顯著下降。這種“電子有序運動”的場景，正是量子摩擦得以出現的根源。

顛覆認知：摩擦不一定越“高”越“強”

在我們的直覺中，越高的臺階、越陡的坡道，越難爬上去；在物理上，這意味着障礙越大，摩擦阻力也越強。但這項研究表明，在量子世界裏，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，甚至摺疊時的曲率，都會改變摩擦的規律。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”，就能製造出在微觀尺度上幾乎“無摩擦”的材料。例如，讓納米機器人在微小的血管裏更自由穿梭，而不被阻力拖慢；或者製造出磨損極小的精密機械部件，大大延長其使用壽命。

結語：量子摩擦會改變未來科技嗎？

量子摩擦的發現，不僅是一項基礎物理的突破，也可能對工程應用產生深遠影響。想象一下，未來的量子計算機中，關鍵部件或許能在幾乎沒有能耗的條件下運行；航天器的關鍵零件可能長時間工作而不易磨損；甚至我們可以製造出像冰面一樣順滑的人工界面，讓固體“輕柔”地滑過彼此。

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量子規則重新塑造摩擦，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。

參考文獻

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

策劃製作

出品丨科普中國

作者丨龔珍彬、高新晨 中國科學院蘭州化學物理研究所

監製丨中國科普博覽

責編丨張一諾

審校丨徐來、張林林