受限水的超流特性.PDF

2017 年 第 62 卷 第 11 期： 1111 ~ 1114 《中国科学》杂志社 Science 125个科学前沿问题系列解读( ⅩⅩⅤ) SCIENCE CHINA PRESS Is superfluidity possible in a solid? If so, how? 受限水的超流特性 1 2,3 1* 王奉超 , 孙长庆 , 吴恒安 1. 中国科学技术大学近代力学系, 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 合肥 230027; 2. 长江师范学院机械与电气工程学院, 重庆市超常配位键工程与先进材料技术实验室, 重庆 408100; 3. School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore * 联系人, E-mail: wuha@ 2016-11-10 收稿, 2016-11-16 修回, 2016-11-16 接受, 2017-03-07 网络版发表 国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项(B 类)(XD资助 摘要 超流是一种物质与其他物质界面不黏连、无阻力下的相对快速运动状态. 譬如纳米通道中水的流速要比 经典流体力学理论预测值高几个数量级. 基于近期的实验和理论模拟结果, 我们讨论了液态水在微纳通道内表现 出超流的特性, 并指出水在常温条件下的受限超流起源于水的低配位水分子间的氢键弛豫和因弛豫而引起的表皮 超固态的高弹性和极化. 关键词 超流体, 水, 氢键, 受限, 超固态 众所周知 , 物质一般可以分为 3种最基本形态 : 动性 . 也就是说 , 超固体同时具备固体和流体的特 固体、流体和气体. 除此之外, 根据组成物质的不同 点. 2004年, 美国宾夕法尼亚州立大学的物理学家莫 分子之间的相互作用分类 , 还可以存在其他的物质 瑟斯 ·陈(Moses Chan)研究组 [4]将固态氦冷却到特别 状态, 例如高能状态下的等离子体, 常温状态下的液 低的温度下 , 并使其在不同的速度下振荡 . 结果发 晶体, 还有低温状态下的超流体、超固体等 . 现, 此时的部分固态氦表现出无摩擦流动的现象 , 就 超流动性 (superfluidity)是指一种物质状态和属 像发生在液氦的超流动性类似 , 这成为首次报道固 性, 其典型特征是物质没有黏性, 不存在与容器壁面 体中存在超流动的重要证据 . 此外 , 西班牙加泰罗尼 的摩擦力, 能够以无阻力的状态在通道内传输. 氦-4 亚 理 工 大 学 的 雅 洛 斯 拉 弗 · 路 特 斯 希 恩 (Yaroslav (Helium-4)在低于2.17 K(270.98 ℃)时便会变成超流 Lutsyshyn)和同事在2010年的研究中也提出了超固态 体 . 此时液态氦的流量与驱动压力无关 , 无法从实验 存在的进一步证据 [5]. 超固态间的无摩擦运动的前提 [6] 数据中计算出其有意义的黏度系数 . 超流体的液氦 是接触界面的高弹性和库仑排斥 . 甚至可以爬上容器壁 , 能从容器