2026年6月22日——我们的体内存在一个精密的微细管道网络，血液、水和其他分子在其中流动。当这些管道的尺寸缩小到纳米级，仅能容纳少数分子并排通过时，支配水行为的经典物理定律会受到管壁原子结构的影响。EPFL量子管道实验室负责人、终身轨助理教授Nikita Kavokine表示：“这并不是经典流体力学失效了，而是它与固体管壁的凝聚态物理学交织在了一起。”

液体，尤其是水，在几纳米尺度上的行为是现代物理学中尚未填补的重大空白之一。例如，一些实验观察到，水流经碳纳米管的速度比预期高出数个数量级。科学家们正试图理解那些经过数百万年进化已被生物体掌握的物理现象。Kavokine解释说：“在纳米尺度下，我们的身体利用水的特定性质，以极高的能效过滤分子。”例如，水通道蛋白是嵌入细胞膜中的蛋白质通道，它们利用这种分子尺度的相互作用，允许水分子通过，同时阻挡离子和其他分子。

一种未知的机制

在纳米尺度下，水分子通过电磁耦合与通道管壁中的电子相互作用。Kavokine解释说：“正是在这里，事情变得量子化。这也是我们谈论量子管道的原因。”研究人员发现，水与通道边界之间的这些相互作用产生了一种新的摩擦机制。在这种机制中，水分子和通道管壁中的电子相互推挤，形成一个能量耗散源。然而，这一机制的细节仍在研究中。Kavokine指出：“矛盾的是，我们对电子在小尺度下的行为了解甚多，但对液体的所知却如此之少。”

由于摩擦力是一种力，管壁中的电子会获得净动量转移，从而产生一种“水电拖曳”效应——水流会拽动电子沿着表面移动。这种额外的动量会产生流经固体的电流。这种电流可能为纳米尺度下的水力能量转换提供新途径。未来，这种小规模的水力发电能量转换有望用于各种过滤过程中的能量回收，无需依赖任何溶解离子。该机制还有助于水处理，以及从海水与淡水交汇处的盐度梯度中收集能量。

从单个纳米通道到人造器官

单根纳米通道的实验和技术实现（这是进行研究的基础）极具挑战性。Kavokine表示：“全球有几个团队在研究这个问题，但我们仍然缺乏足够的实验来得出确凿结论。”制造出能像生物离子通道那样工作的单根纳米通道本身就是一项复杂的任务。但要实现有吸引力的应用，需要构建大规模的纳米通道网络，将数千甚至数百万个这样的通道集成到芯片上，并形成受控的架构。Kavokine解释：“在未来几年，我们将开始面对这一工程挑战，将基础纳流控技术放大成有用的设备。”

但这一领域仍然年轻：纳流控技术大约只出现了20年。研究人员才刚刚开始从理论和实验两方面，弄清水流经纳米通道的基本原理。Kavokine承认：“我们目前使用的方程，并不是描述实验观察结果的正确语言。”正因如此，量子管道实验室的部分工作重心，是寻找有助于理解这些观测结果的新理论框架。

制造纳米管只是Kavokine量子管道实验室众多项目之一。其他项目则试图利用量子传感技术探索碳纳米管的内部结构。这将使研究人员得以理解为什么水在其中流动时几乎毫无摩擦。

从长远来看，单通道设备的规模化发展可能会导致人造纳流控网络的出现，这些网络可以模拟自然界中的网络。这将是创建基于水和盐的新型高效计算架构的第一步。然而，在研究人员实现这些网络之前，还有很长的路要走。Kavokine解释说：“我们才刚刚弄清楚这一切是如何运作的。我的梦想是构建出像人造大脑或肾脏这样的东西，在能效上能与它们的生物同类相媲美。”

水油混合的秘诀

但水并非只有在纳米尺度下才展现出非同寻常的特性。一些至今无法解释的现象在日常生活中也能被观察到。例如，众所周知，在正常条件下，水和油互不相溶。然而，它们可以形成乳状液。EPFL基础生物光子学实验室主任、教授Sylvie Roke及其团队揭示了水中的油纳米滴稳定存在的背后机制。研究人员利用光学技术，制造出了能与水混合的微米级油滴。他们的发现表明，这种现象的解释在于：通过水油界面上微弱的氢键相互作用，少量电荷从水转移到了油中。

然而，水与油的界面还能揭示许多其他过程。例如，Roke的研究团队还解释了碱度如何影响油滴在水中的运动。该机制与体相水的pH依赖性电导率有关。这一通用机制有助于解释生物学、化学和纳米技术中一系列pH依赖性过程。

然而，要在分子水平上理解水，科学家需要观察氢键如何形成并组织成网络。Roke及其合作者开发的一种新方法，使研究人员能够直接测量体相水中相互作用的氢键。Roke说：“我们现在可以在直接发生的原子尺度上，测量电荷转移、核量子效应以及其他难以捉摸的现象。这几乎像是在测量那些不可测量的事物。”这项技术提供了直接了解分子耦合的途径，并有助于阐明水以及其他液体的许多其他分子特性。