Se væskestrømme på nanometerskalaer:Forskere finder ud af, at små nanotråde kan løfte væsker lige så effektivt som rør

Forestil dig, hvis du kunne drikke et glas vand bare ved at stikke en solid ledning ind i det og sutte på det, som om det var et sodavandsstrå. Det viser sig, at hvis du var lille nok, den metode ville fungere fint - og ville ikke engang kræve, at sugningen starter.

Ny forskning udført ved MIT og andre steder har for første gang vist, at når det indsættes i en væskebassin, nanotråde - ledninger, der kun er hundreder af nanometer (milliarddele af en meter) på tværs - trækker naturligt væsken opad i en tynd film, der dækker overfladen af ​​tråden. Fundet kan have applikationer i mikrofluidiske enheder, biomedicinsk forskning og inkjetprintere.

Fænomenet var blevet forudsagt af teoretikere, men aldrig observeret, fordi processen er for lille til at kunne ses af optiske mikroskoper; elektronmikroskoper skal fungere i et vakuum, hvilket ville få de fleste væsker til at fordampe næsten øjeblikkeligt. For at overvinde dette, MIT-holdet brugte en ionisk væske kaldet DMPI-TFSI, som forbliver stabil selv i et kraftigt vakuum. Selvom observationerne brugte denne specifikke væske, resultaterne menes at gælde for de fleste væsker, inklusive vand.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Natur nanoteknologi af et team af forskere ledet af Ju Li, en MIT professor i nuklear videnskab og teknik og materialevidenskab og teknik, sammen med forskere ved Sandia National Laboratories i New Mexico, University of Pennsylvania, University of Pittsburgh, og Zhejiang University i Kina.

Mens Li siger, at denne forskning havde til formål at udforske den grundlæggende videnskab om væske-faststof-interaktioner, det kan føre til anvendelser inden for inkjet-print, eller til at lave et laboratorium på en chip. "Vi ser virkelig på væskeflow i en hidtil uset lille længdeskala, "Li siger - så uventede nye fænomener kunne dukke op, mens forskningen fortsætter.

På molekylær skala, Li siger, "Væsken forsøger at dække den faste overflade, og det bliver suget op af kapillærvirkning." På de mindste skalaer, når væsken danner en film, der er mindre end 10 nanometer tyk, den bevæger sig som et glat lag (kaldet en "precursorfilm"); efterhånden som filmen bliver tykkere, en ustabilitet (kaldet en Rayleigh-ustabilitet) indtræder, forårsager dannelse af dråber, men dråberne forbliver forbundet via precursorfilmen. I nogle tilfælde, disse dråber fortsætter med at bevæge sig op ad nanotråden, mens dråberne i andre tilfælde virker stationære, selv når væsken i dem strømmer opad.

Forskellen mellem den glatte precursorfilm og perlerne, Li siger, er det i den tyndere film, hvert væskemolekyle er tæt nok til at interagere direkte, gennem kvantemekaniske effekter, med det faste stofs molekyler begravet under det; denne kraft undertrykker Rayleigh-ustabiliteten, der ellers ville forårsage beading. Men med eller uden perler, væskens opadgående strømning, trodser tyngdekraften, er en kontinuerlig proces, der kunne udnyttes til småskala væsketransport.

Selvom dette opadgående træk altid er til stede med ledninger i denne lille skala, effekten kan forstærkes yderligere på forskellige måder:Tilføjelse af en elektrisk spænding på ledningen øger kraften, det samme gør en lille ændring i trådens profil, så den tilspidser mod den ene ende. Forskerne brugte nanotråde lavet af forskellige materialer - silicium, zinkoxid og tinoxid, samt todimensionel grafen - for at demonstrere, at denne proces gælder for mange forskellige materialer.

Nanotråde er mindre end en tiendedel af diameteren af ​​fluidiske enheder, der nu bruges i biologisk og medicinsk forskning, såsom mikropipetter, og en tusindedel af diameteren af ​​injektionsnåle. I disse små skalaer, fandt forskerne, en solid nanotråd er lige så effektiv til at holde og overføre væsker som et hult rør. Denne mindre skala kan bane vejen for nye former for mikroelektromekaniske systemer til at udføre forskning i materialer på molekylært niveau.

Metoden, som forskerne udviklede, giver dem mulighed for at studere vekselvirkningerne mellem faste stoffer og væskestrøm "i næsten den mindste skala, du kan definere et væskevolumen, som er 5 til 10 nanometer på tværs, " siger Li. Holdet planlægger nu at undersøge adfærden af ​​forskellige væsker, bruge en "sandwich" af gennemsigtige faste membraner til at omslutte en væske, såsom vand, til undersøgelse i et transmissionselektronmikroskop. Dette vil tillade "mere systematiske undersøgelser af faststof-væske interaktioner, " Li siger - interaktioner, der er relevante for korrosion, elektroaflejring og drift af batterier.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.