光照让碳纳米管在水中“打滑”

摩擦是日常生活中常见的现象，比如推动物体需要克服阻力。但在纳米尺度上，摩擦的来源更复杂——除了表面粗糙度等经典因素，还存在一种全新的‘量子摩擦’：即材料中的电子激发态（如激子）与周围溶剂分子（如水）之间发生的非绝热能量和动量交换。本文首次通过实验证实，当近红外发光的单壁碳纳米管（SWCNT）在水中被光照激发后，其内部产生的激子会与水分子耦合，产生额外的拖曳力，显著减慢纳米管的布朗运动。研究人员用荧光相关光谱（FCS）测量发现，随着光照强度增强，SWCNT在水中的扩散系数线性下降，最高达50%；而当激子被缺陷‘钉扎’住无法移动时（如引入硝基芳基sp³量子缺陷），该效应完全消失，说明激子的自由运动（而非静态电荷）是关键。进一步地，加入能增强或减弱SWCNT荧光的化学物质（如维生素C或维生素B2），也能按比例调控扩散速度，证明激子浓度直接决定摩擦大小。太赫兹（THz）光谱实验捕捉到两个特征响应：一个瞬时出现（<1皮秒）、位于30 cm⁻¹（约1 THz）的信号，对应激子与水分子德拜模式的直接耦合，正是量子摩擦的物理源头；随后出现的>100 cm⁻¹信号则类似加热效应，反映能量逐步传递给水的氢键网络。分子动力学模拟进一步证实：只有具备动态极化能力的激子（即其正负电荷随时间涨落），才能有效扰动周围水分子，产生可观测的摩擦力；而静态偶极子则无此效果。综上，本研究揭示了一种全新的、由光控激子介导的纳米尺度摩擦机制——它不依赖高功率激光捕获，而是通过低强度光照和化学环境微调即可实现，为设计光响应纳米马达、智能流体器件及高灵敏生物传感器提供了新原理。