研究|中国科学家发现受限水罕见类量子行为，将为研究水伏能源提供理论支撑。
文章图片
水 ， 既常见、又神秘 。 71% 的地球表面都是水 ， 但是水的结构是什么？至今仍是未解之谜 。 科学家们 ， 只能在认识水的路上一点点地接近 。
尽管受限微纳空间内的水广泛存在于生物体和人造介质中 ， 但却为神秘 。 近日 ， 南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林院士和张助华教授 ， 从受限水中发现了鲜为人知的类量子行为 ， 开辟了微纳受限流体传质调控的新途径 。
文章图片
图 | 张助华（来源：张助华）
日前 ， 相关论文以《纳米受限水中的弗里德尔振荡》（An analog of Friedel oscillations in nanoconfined water）为题发表在国产顶级综合性期刊 National Science Review（IF 值 17.275）上[1] ， 郭万林和张助华担任共同通讯作者 ， 薛敏珉博士担任第一作者 。
文章图片
图 | 相关论文（来源：National Science Review）
受限水：简单又深奥
通常 ， 科学家在研究微观系统时 ， 一旦深入到原子世界 ， 许多现象都会涉及量子相关的特性 ， 它与经典物理截然不同 。 为了解释经典物理无法描述的现象 ， 量子力学才得以逐步发展而成 。
当然 ， 对于许多不涉及化学反应、或电荷转移的微观系统 ， 运用经典物理和牛顿力学即可有效描述体系的相关行为和现象 ， 因此在这里量子力学描述的相互作用可以忽略 。
【研究|中国科学家发现受限水罕见类量子行为，将为研究水伏能源提供理论支撑。】这两种不同体系所展现的性质、或功能往往大相径庭 ， 即很难在它们之间找到相同或相似的现象、特征和性质 。
但是 ， 该团队在这两种截然不同的体系里找到了相似之处 ， 发掘出崭新的知识 。 这为不同研究领域的交叉融合搭建了一座桥梁 。
对于量子体系来说 ， 前苏联物理学家列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau）提出的朗道-费米液体理论 ， 有效描述了在足够低的温度下 ， 大多数费米子如电子、质子、中子等的相互作用行为 ， 著名的 He-3 超流态便是案例之一 。
文章图片
（来源：National Science Review）
在高维度空间里 ， 费米子之间的相互作用较弱 ， 费米子的行为与准粒子类似 ， 不过体系的行为仍由单粒子激发主导 。 但当维度降低至一维时 ， 粒子间增强的相互作用 ， 会导致朗道-费米液体理论不再适用 ， 体系行为会从单粒子激发变为集体激发 。
这时 ， 费米液体被描述为拉廷格液体 ， 这是一种一维费米液体 ， 指的是电子在一维体系下 ， 电子之间的相互作用不可被忽略 ， 这时许多物理量都会体现出幂次准则的特征 。
张助华指出 ， 物理、力学等领域的研究一般从理想体系出发 ， 但实际体系的行为通常会受到缺陷、杂质等干扰 。 因此 ， 人们一直试图理解缺陷、杂质等引起的局部扰动 ， 对粒子体系比如费米液体的影响 。
据悉 ， 量子体系中的弗里德尔振荡 ， 是由局部扰动引起的费米气体、或液体粒子密度分布的振荡行为 。 例如 ， 金属表面电子的密度 ， 会因为缺陷作用产生振荡 ， 这在形式上就像水波一样从扰动位置向四周传递开来 。
文章图片
（来源：National Science Review）
这种现象中的振荡和衰减 ， 可用辛克函数来描述 。 在一维情况下 ， 以金属纳米线为例 ， 粒子间的相互作用会让弗里德尔振荡得到增强 。
循着这一规律 ， 该团队对低维分子体系提出一种设想：是否也能在这些分子体系里 ， 找到和量子体系的相似之处？
尽管分子系统不具备产生上述量子振荡行为的条件 ， 但低维度的受限空间中 ， 会出现和高维体系截然不同的行为 。 在这方面 ， 以受限水最具代表性 。 因此 ， 张助华想从受限水出发 ， 发掘一下量子和分子系统之间的一些类似性 。
他表示：“我们此次报道的受限水中的弗里德尔振荡 ， 恰好与量子体系中电子的弗里德尔振荡有许多相似之处 。 因此某种程度上 ， 这种新的认识 ， 可成为分子和量子体系之间的纽带 ， 从而让两者建立某种联系 。 ”
据介绍 ， 该团队之所以选择受限水 ， 是因为水对生命和人类的重要性 。 它简单、普遍 ， 却又内涵非常深奥 。 它独特的分子间相互作用使其会产生一系列奇特行为和现象 ， 尤其是在纳米尺度受限的空间内 ， 过去不少研究都已证明了这一点 。
文章图片
（来源：National Science Review）
例如 ， 通常认为水在零度左右才会结冰 ， 但在受限环境中水在室温下仍然保持冰的结构 。 又如 ， 处于碳纳米管、石墨烯孔道等受限环境中的水 ， 会具有独特的分子结构和一系列奇异的离子输运行为 ， 而且这时水的介电常数会比水的标准值降低近 20 倍 。
鉴于此 ， 张助华选择一维受限环境中的水作为研究对象 。 当然 ， 固-液界面的相互作用 ， 也是该团队考虑的另一关键因素 。
借助大规模分子动力学计算发现 ， 在分子受限体系中 ， 确实存在和量子体系类似的现象 ， 一般称之为类弗里德尔振荡 。 当存在局部扰动时 ， 一维受限水的轴向分子密度表现出有规律的振荡现象 ， 即从扰动处向远处不断衰减 。
这与金属表面、或一维金属纳米线等体系中的电子密度 ， 在受到缺陷、或杂质影响时发生的振荡行为如出一辙 。
进一步地 ， 该团队通过改变体系的各种条件 ， 包括通道形状、长度、外压、扰动类型等因素 ， 证明了这种类弗里德尔振荡的普遍性 。
此外 ， 当出现多个扰动的叠加时 ， 产生的振荡强度也会随之增强 。 而且 ， 不管流体是否处于静止状态 ， 扰动造成的振荡始终存在 ， 只是对称性发生了变化 。
那么 ， 如何来理解这种现象？这时张助华其团队通过建立物理模型 ， 对分子体系的振荡进行解析式描述 。
如前所述 ， 水是既简单、又复杂的物质 ， 很难找到一个能完美描述这种现象的理论 。
因此 ， 他们从一类几何扰动的体系出发 ， 利用福克-普朗克关系（描述粒子在势能场中受到随机力后 ， 随时间演化的位置或是速度的分布函数） ， 把水的局部密度分布 ρ 描述为高斯分布 ， 而这些密度分布的叠加 ， 恰好描述了这种类弗里德尔振荡 。
其中 ， 最邻近水分子的、高斯分布的半峰宽 σ ， 由扰动的强度 h 所决定；密度分布的中心位置 μ ， 则由水分子的特征尺寸确定 。
密度振荡的衰减 ， 则由水分子的偶极关联度 g 决定 。 受限水的类弗里德尔振荡和电子的弗里德尔振荡 ， 不仅仅只在外形上相似 ， 在诸多性质上也存在呼应 。 例如 ， 振荡的波长 λ 由分子的特征尺寸确定 ， 这和弗里德尔振荡的波长由电子费米波长确定相对应 。
为认识生物体系中的相关通道提供重要借鉴
在研究这种振荡的过程中 ， 张助华等发现这种具有类弗里德尔振荡的体系 ， 能对微纳尺度传质产生决定性影响 。 在施加外压的情况下 ， 离子和水能通过一维孔道进行传输 。
然而 ， 当存在扰动时 ， 由于离子必须以水合的形式进行传输 。 因此 ， 轴向的密度振荡会对离子传输产生极大影响 ， 甚至在足够的扰动强度下 ， 离子会被完全阻隔 。
这种阻隔离子的过滤机制 ， 不同于尺寸效应、电荷效应等 ， 是此前未曾被报道过的全新机制 。 而其中水的流量 ， 基本和扰动的强度呈线性的反比关系 。
举例来说 ， 像碳管这种一维通道 ， 它本身具有超滑特性 ， 水在其中的输运非常快速 ， 这让研究人员得以利用这种性质进行盐水分离 。
因此该方法不仅能控制产出的溶液浓度 ， 还能控制流量 。 尽管这两者存在一定程度的耦合 ， 但在一定区间内获得的可操控度依旧很可观 。 其次 ， 这种特性还可用于制造基于微纳流的功能性器件 ， 例如流体逻辑门控器件、整流器件等 。
不仅如此 ， 类弗里德尔振荡引起的选择性输运特性 ， 为认识生物体系中的相关通道提供了重要借鉴 。
将为水伏能源的微观起源提供理论支撑
研究伊始 ， 张助华致力于建立一个和电子弗里德尔振荡类似的模型 ， 以便给本次发现提供更深入的物理认识 。
经大量尝试之后 ， 他发现这是一个不可能的路径 ， 因为已有的量子模型的嵌套 ， 总是和模拟结果有很大出入 。
后来 ， 该团队打算完全脱离量子模型 ， 从统计力学出发 ， 采用更合理方式 ， 来描述这种类弗里德尔振荡 。 最终 ， 如愿获得了和模拟结果匹配的理论模型 。
“科学研究就是如此 ， 如果被某个领域的固有知识框架所束缚 ， 往往求而不得 。 但当你跳出来 ， 用旁观者的眼光审视自己的工作 ， 从更合理的角度出发 ， 采用更契合逻辑的思想 ， 往往能收到很好的效果 。 ”论文一作薛敏珉博士表示 。
后续 ， 该团队会在固-液界面水的相关体系里 ， 做进一步拓展研究 ， 主要会集中在非完美体系、即前面提到的扰动体系 。
接下来的研究将不限于一维受限水或单一扰动 ， 而是会更加贴近实验设计 ， 例如通过表面处理工艺获得微纳流器件等 。
该团队设想的这种体系 ， 与许多实验体系非常类似 ， 但也对现有理论和模拟方法提出了挑战 。
此外 ， 最近一些研究表明 ， 许多经典流体的相关理论或模型 ， 在微纳尺度系统里不再适用 。 要想与实际观测契合 ， 还得做出相应的改进 。
因此 ， 考虑到微纳尺度流体系统的多变性 ， 尤其是多孔材料的结构复杂性 ， 该团队打算研究那些结构上存在分叉、或处于网络型多孔结构中的微纳流体 。
薛敏珉总结称：“我们希望能在这些非完美的、更贴合实际应用场景的系统中 ， 发现新现象和新规律 。 同时 ， 通过对微纳流的深入认识 ， 希望能为水伏能源的微观起源 ， 提供理论支撑 。 ”
-End-
文章图片
参考：
1、Xue, M., Hu, Z., Qiu, H., Shen, C., Guo, W., & Zhang, Z. (2021). An analog of Friedel oscillations in nanoconfined water. National Science Review.
文章图片
推荐阅读
- IT|不用精子就能繁育后代 科学家只用1个卵细胞就培育出健康小鼠
- 中国电信|中国电信与清华大学下一代互联网技术联合研究中心揭牌
- 满足用户|有方物联网感知平台完成中国电子云信创适配认证
- essay|处理研究生Essay格式时的难点有哪些？
- 水星|速途元宇宙研究院女分析师的另一面
- 视点·观察|研究揭示不同国家的男性和女性如何在各种日常活动中花费时间
- IT|中国医药获辉瑞新冠口服药PAXLOVID的中国大陆市场运营权
- IT|1000多人9小时创中国纪录：三条高铁深夜“牵手”
- 人物|皮尤研究中心：五分之一的美国成年人去年辞职
- Apple|分析师一致看好新一代iPhone SE 称将在中国大卖