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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 。

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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 。

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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 。
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 。

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（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 。

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（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 。