清华大学刘大猛&雒建斌院士团队综述：固液界面的量子尺度摩擦—模拟、检测技术、机理与新兴应用

Quantum-Scale Friction at Solid–Liquid Interface: Simulation, Detection Techniques, Mechanisms, and Emerging Applications

Yishu Han, Rui Zhang*, Dameng Liu* & Jianbin Luo

Nano-Micro Letters (2026)18: 230

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02066-2

本文亮点

1. 揭示了固液摩擦的量子起源：该摩擦由界面处的电子转移、电子激发以及电子–声子耦合所主导。

2. 综述了新兴的表征技术与多尺度模拟方法：它们揭示了超越经典摩擦学的量子尺度摩擦机理。

3. 展示了量子尺度界面摩擦的潜在变革性应用：涵盖纳流控、能量收集、智能生物医学系统以及超润滑等领域。

研究背景

固液界面广泛存在于能源工程、船舶、润滑传动和流体输运等关键领域，界面摩擦阻力造成巨大的能量损耗——海运约占全球运输能耗的12%，其中60%–80%的能量损失源于固液边界层摩擦，因此减小界面阻力、提高能量利用效率成为全球性目标。然而，传统摩擦学主要基于宏观经验与连续介质理论，难以揭示纳米尺度超低摩擦的微观本质。近年来，碳纳米管等受限体系研究发现：水分子在数埃管径的碳纳米管中以远超经典理论预测数个数量级的速率流动，且摩擦呈反常管径依赖，而结构相似的氮化硼纳米管却不具备该行为，提示量子尺度相互作用可能是关键。分子动力学模拟、第一性原理计算及太赫兹光谱、非接触原子力显微镜等原位实验证实，电子转移、电子激发与复合、电子–声子耦合等量子效应主导了纳米尺度固液界面摩擦。但相关理论与技术缺乏系统梳理，阻碍了深层理解与应用转化，亟需系统性综述整合现有成果并提出未来突破方向。

内容简介

针对上述问题，清华大学刘大猛教授&雒建斌院士团队对固–液界面处的量子尺度摩擦理论及其新兴应用进行了全面概述，系统梳理电子转移、电子激发与复合、电子–声子耦合等核心机理，攻克经典摩擦学难以解释纳米尺度超低摩擦的痛点。文章先总结分子动力学、量子力学与多尺度模拟等计算方法，以及太赫兹光谱、非接触原子力显微镜、纳流控输运等实验技术；再系统阐释这些方法揭示的量子激发行为及其对摩擦的贡献，评估其在低功耗纳流控器件、高效储能、生物医学设备、超润滑涂层与海水淡化等领域的变革潜力。尽管理论框架初步成形，跨尺度验证与亚纳米/飞秒级实验能力仍存缺口，据此提出模拟-实验深度融合、面向应用的突破路径，并强调物理、化学与材料科学跨学科协作对工程转化的关键作用。

图文导读

I 从经典摩擦起点到量子尺度摩擦，构建发展脉络

图1回顾了固液界面摩擦研究的重要发展节点。早期研究基于连续介质理论，发展微结构设计与表面化学修饰等宏观减阻手段；随后，双电层、润湿、离子吸附及DLVO理论、能量势垒模型等介观机理逐步建立。随着碳纳米管研究开展，水分子以超经典预测数个数量级的速率流动，而结构相似的氮化硼纳米管并无此行为，电子结构差异推动研究重点转向量子尺度；2022年”量子摩擦”概念的提出，明确了流动水与激发电子间库仑作用是摩擦的重要来源。这一发展过程表明，经典宏观与介观理论只是起点，关键在于：纳米受限能否增强量子隧穿与界面涨落，固体是否具备高电子密度或强声子激发、液体是否极性或高介电以利于量子态耦合，以及外场能否调控电子结构使量子激发成为主要耗散通道。

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图1. 固液摩擦重要进展的时间线，涵盖界面理论、调控手段以及用于跨长度、时间与能量尺度探测流动特性的实验技术。

II 模拟不是旁观者，而是量子摩擦机理的解码器

量子摩擦的模拟方法体系可归纳为三个相互衔接的层面。第一，经典分子动力学(MD)率先揭示电子结构对摩擦的作用：结构相似的水在石墨烯与氮化硼表面的摩擦系数差异显著，源于氮化硼电子结构引起的能量起伏；机器学习MD进一步以第一性原理精度复现碳纳米管与氮化硼纳米管的输运与摩擦差异，阐明碳表面的低摩擦源于氧原子迁移的低能垒。第二，基于表面响应函数的MD模型揭示”相互作用限域”效应，通道介电特性增强离子间库仑作用，可通过调控电子特性调谐离子输运；当固体介电响应与水的德拜模式在频域重叠时，界面能量传递增强、摩擦升高，即光谱匹配效应。第三，量子力学计算直接解析电子态：DFT表明滑移路径上电子密度演化与能量景观同步、摩擦耗散与电子响应线性相关，AIMD指出界面摩擦主要由首层原子决定。文章特别指出，只有当固体介电响应、电子激发与液体分子运动的特征频率实现匹配，量子效应才能转化为可观测的摩擦贡献。然而，经典力场MD对瞬态电荷转移描述过于简化，DFT受绝热近似约束，跨尺度验证仍是关键缺口。

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图2. 固液界面摩擦的近期分子动力学模拟。(a)碳纳米管(CNTs)和氮化硼纳米管(BNNTs)中水的摩擦与氧和氢的自由能面密切相关。(b)约束在二维空间运动的点状离子的布朗动力学模拟，通过有效势相互作用展现出Wien效应非线性。(c)强受限电解液中离子对自由能与体相溶液存在显著偏离，观察到接触离子对减少、溶剂分离离子对增多。(d)当固液介电涨落重叠时，gwat/sol(q0, ω)的主要特征受到扰动，导致摩擦显著增大。(e)不同受限程度下的反对称响应函数，在7 Å处出现额外的高响应。

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图3. 固液界面摩擦模拟的其他进展。(a)滑动过程中的能量景观ΔE及相应的电荷密度演化Δρ。(b)密度泛函计算得到的水–石墨烯界面平均电子密度。(c)弱极化半导体CNTP的水渗透率低于强极化金属性CNTP。(d)石墨与水中电荷涨落之间耦合最强的等离激元模式，源于石墨烯层间的电子跳跃。

III 实验探测：在飞秒与纳米尺度”看见”量子摩擦

量子摩擦的实验探测手段可分为四类相互补充的技术。第一，太赫兹光谱跨越飞秒至纳秒尺度，可捕捉界面能量传递特征：太赫兹时域光谱首次定量了量子摩擦相关的能量传递，发现水分子集体极化加速石墨烯电子云热弛豫。第二，非接触原子力显微镜以亚纳米空间分辨率原位测量电子-声子耦合与动量传递：调谐音叉AFM首次实验测得量子摩擦的动量传递信号，微米尺度液滴滑动诱导出约10 nA的电子流。第三，纳流控输运测量在宏观尺度建立量子激发与摩擦的跨尺度关联：仅数埃宽的二维缝隙表现出离子特异性摩擦，外加偏压可将压力驱动的离子输运增强达20倍。第四，宏观动态电荷成像(KPFM、像素化电极阵列、荧光探针)可毫秒级可视化滑动过程中的电荷转移与再分布。文章特别指出，这些技术共同面临核心挑战：电子动力学与摩擦耗散发生在亚纳米空间与飞秒时间尺度，单一手段难以同时分辨电子、声子与流体行为，亟需原位、多参数、同步探测平台。

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图4.非接触原子力显微镜测量。(a)水在石墨烯或六方氮化硼(hBN)基底上滑动时，归一化最大静摩擦存在显著差异。(b)石英音叉测试中，不同偏压压力下液滴振荡产生的电流随时间呈周期性变化。(c)用于测量云母上水滑移长度随温度变化的音叉式AFM系统。

IV 量子摩擦机理：电子转移、激发与耦合的”三重奏”

固液界面量子尺度摩擦的机理可归纳为三个相互关联的过程。电子转移与再分布是界面电荷分离的量子基础：从功函数差驱动的经典框架到”电子云重叠模型”，电子转移的方向、大小与动态演化成为调控界面摩擦与能量转换的关键。电子激发与复合将机械功转化为可测电信号：摩擦界面释放的能量激发电子-空穴对并经界面电场分离，缺陷可俘获载流子并引入额外复合通道，显著改变摩擦行为。电子-声子耦合连接电子与晶格自由度：云母声子与液体密度涨落的共振、石墨烯等离激元与水德拜模式的太赫兹共振，均通过电-声耦合通道传递能量与动量，使摩擦诱导电流超线性增长。文章特别指出，三者并非孤立作用——量子摩擦系数由电子激发与声子介导共同决定，其竞争或协同关系在不同固液体系中复杂多样；定量刻画三者相互作用并建立跨尺度关联仍是关键挑战。

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图5. 固液摩擦的量子尺度机理。(a)固液摩擦产生”结合子”(bindingtons)以激发电子–空穴对。(b)对应石墨表面等离子体的电子运动，载流子浓度影响量子摩擦系数(λQ)。(c)三层与单层石墨烯总摩擦的相似性表明，摩擦本质上由与固体首层原子的相互作用决定。(d)经典路径中能量通过声子传递给液体；量子路径中电子则通过库仑耦合直接将能量传递给液体。(e)稳态下，声子与电子子系统的进出动量通量需要达到平衡。(f)当液体与固体结构重叠时，动态耗散增大。(g)液–固界面的能量耗散源于三类物种——氢子(hydrons)、电子与声子之间的交换。

V 从机理到应用：量子摩擦的变革潜力与挑战

量子尺度固液摩擦的机理认识正转化为可部署的器件与技术，文章将其应用前景归纳为五个方向。第一，纳流控器件：通过调控表面电荷或电子态调谐流量，催生纳流控晶体管、离子泵、离子忆阻器与量子受限传感器，实现单离子精度输运与片上微量流动检测。第二，能量存储与转换：盐差能与雨滴能收集利用摩擦界面激发的电子流，”流动隧道”效应与蒸发驱动的水伏发电提供连续功率输出。第三，生物医学设备：超疏水涂层的引流瓶与智能输液监控器实现临床实时监测，DNA条形码生物传感器识别深海物种，碳纳米管插入脂质囊泡提示电子结构决定生物摩擦界面的渗透行为。第四，超润滑材料与表面工程：无需外部润滑剂，仅调控电子结构与原子排列即可大幅降低摩擦，在船舶推进与低摩擦医用涂层中展现优势。第五，海水淡化与水净化：电荷离域差异使水分子以远超盐离子的速率穿越超窄碳纳米管，rGO/MoS₂纳滤膜实现高通量与强截盐兼得。文章指出，各方向仍面临共同挑战：量子效应与经典静电作用难以解耦、长期运行下界面退化、规模化制备不足。

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图6. 在纳米流体与能源领域中的应用。(a)门控纳米通道中带相反电荷的离子形成”Bjerrum对”，利用其输运形成的离子库仑堵塞效应开发离子泵。(b)具有记忆性电流–电压特性的纳流控器件，是忆阻器效应的典型代表。(c)利用固液摩擦收集雨滴能量。(d)压降产生流动，流动诱导电流，进而通过水–电摩擦产生流动。

VI 总结

量子尺度固液摩擦研究已使界面摩擦认知深入至量子力学范式。量子摩擦不只是经典摩擦学的微观延伸——量子涨落驱动的库仑相互作用耦合液体偶极涨落与固体电子激发，可主导碳纳米管等受限体系的摩擦行为。多尺度分子动力学与第一性原理结合探索量子效应；太赫兹光谱、原子力显微镜与纳流控输运提供多维表征；电子转移与再分布、电子激发与复合、电子-声子耦合构成机理核心。文章指出，当前研究高度集中于二维材料-水体系，缺乏向复杂体系的普适性；两大瓶颈依然存在：模拟与真实界面的多物理场偏差、亚纳米/飞秒同步测量缺失。文章提出四项优先方向：发展多尺度混合算法，弥合量子精度与工程复杂性的鸿沟；构建集成太赫兹成像、光电子能谱与纳流控/AFM探针的高时空分辨率平台；建立模拟与测量的双向反馈，借大数据提取跨尺度关联；面向流体输运、能量转换与超润滑领域开发创新器件。该框架有望推动该领域从”现象观测”走向”机制可验证、跨尺度可贯通、器件可部署”的新阶段。

作者简介

刘大猛

本文通讯作者

清华大学教授

▍主要研究领域

能量耗散、超快光学、缺陷检测、涂层与装备、电驱动系统。

▍主要研究成果

刘大猛教授是清华大学机械工程系教授，本硕毕业于北京大学物理系，师从熊光成教授，博士毕业于英国剑桥大学电机工程系，师从John Robertson教授。2009年加入清华大学。从事高端装备表界面能量耗散、检测、调控的机理与技术应用研究，创新提出了基于微结构的电声子能量耗散调控技术和超快光谱技术，研制了多型号高功率密度驱动、传动基础件与高分辨质检装备，研究成果在航空、运载和核电等高技术领域获得成功应用。发表学术论文百余篇，包含Adv. Mater.、Nat. Commun.、Nano Lett.等期刊，授权发明专利33件，完成技术转移2项，总金额740万元。受邀在世界摩擦学大会等做大会报告、邀请报告十五次。担任“十四五”国家重点研发计划“工程科学与综合交叉”重点专项专家组成员、Materials期刊编委等。

▍Email：ldm@tsinghua.edu.cn

雒建斌

本文通讯作者

清华大学教授

中国科学院院士

▍主要研究领域

纳米摩擦学研究和纳米制造研究。

▍主要研究成果

雒建斌院士现任清华大学机械工程学院院长，清华大学天津高端装备研究院名誉院长；兼任国际摩擦学理事会执委，全球工学院长委员会(GEDC)执委；曾担任国际机构学与机器科学联合会(IFToMM)摩擦学技术委员会主席，中国机械工程学会摩擦学分会主任，两届国家重点研发项目首席，国家自然科学基金重大仪器专项、重大项目和创新群体项目负责人；先后担任9个国内外学术刊物的主编、副主编或编委。雒建斌院士长期从事纳米摩擦学研究和纳米制造研究。获国家技术发明三等奖1项，国家自然科学二等奖2项，国家科技进步二等奖1项，省部级科技奖12项；并作为首位中国人获得2013年美国润滑工程师学会(STLE)最高奖－国际奖和中国摩擦学最高成就奖。作为第一作者出版英文专著1部，参编英文论著1部，翻译英文专著1本；发表论文500余篇，其中SCI收录300余篇；获发明专利授权90余件。在国际会议上做会议报告(Plenary和Keynote)30余次。

▍Email：luojb@tsinghua.edu.cn

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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