Hurtig eller superhurtig vandtransport?

(Phys.org) - Der var store forhåbninger om at bruge carbon nanorør, især til ultrahurtig vandtransport til afsaltning af havvand. Imidlertid, en simulering afslører nu, at disse ultrahurtige transportrater måske alligevel ikke var korrekt jordet. Forskere, der arbejder med eksperimenter og computermodeller, har været uenige om materialets kapacitet og styrende fysik siden.

Kulstofnanorør (CNT'er) har vakt stor interesse for videnskabens verden siden deres opdagelse i 1991. Efter alt, materialet har usædvanlige egenskaber, der gør det ideelt til forskellige applikationer. For eksempel, CNT bruges inden for elektroteknik som tips til kraftfulde scanning af tunnelmikroskoper, som forstærkende fibre i syntetiske materialer eller til specifikke flykomponenter. CNT'er har udløst den vilde fantasi hos nogle om, at reb lavet af disse nanorør en dag kan føre elevatorer fra Jorden ud i rummet.

Brugen af ​​CNT -membraner som et filtermedium er måske mere realistisk. Eksperimenter og simuleringer indikerer, at vandmolekyler ekstremt hurtigt strømmer gennem sådanne membraner, hvilket gør dem interessante som filtre til omkostningseffektive afsaltningsanlæg til havvand:vandmolekyler passerer gennem de ultra-smalle porer, saltioner gør det ikke. Dette potentiale for CNT -membraner undersøges således intensivt.

Grænse identificeret teoretisk stærkt overskredet

Vandtransport gennem rør er baseret på en veletableret formel fra væskedynamik. Formlen beskriver flowhastighed, som beregnes ved hjælp af rørets længde og diameter og trykforskellen mellem væskens indgang og udgang ved de respektive rørender. Eksperimenter har givet vandtransporthastigheder for CNT'er, der angiveligt er 100, 000 gange større end den makroskala teoretisk beregnede grænse, der ville gælde for vandtransport gennem sådanne nanorør. Vægten er afgørende for ultrahurtige transportprocesser. På nanoskala, det er blevet hævdet, at vandmolekyler bogstaveligt talt flyver gennem carbon nanorørene uden at røre de hydrofobe vægge, derfor deres reducerede friktion og forbedrede transporthastigheder. Og jo smallere CNT'erne er, jo højere vandtransportrater.

Imidlertid, historien om CNT er fyldt med kontroverser. Mens nogle eksperimentelle forskere faktisk har observeret en strømningshastighed, der var 100, 000 gange større og offentliggjorde dette i Natur , andre har målt vandstrømme, der kun blev forstærket med 100 til 1000 gange. Simulationer hjalp heller ikke med at besvare spørgsmålet om, hvorvidt CNT -membraner virkelig rummer så meget potentiale. Tidligere computermodeller overvejer for få vandmolekyler og CNT'er, der er for korte i forhold til de eksperimentelt anvendte CNT'er. Simuleringer, der rapporterede en 100, 000-fold forbedring nåede kun til denne værdi gennem en ekstrapolation.

Ny simulation sætter tvivl om ultrahurtig transport

Et team af forskere under ledelse af professor Petros Koumoutsakos har nu givet næring til denne videnskabelige debat med den største og mest detaljerede simulering af vandgennemstrømning gennem kulnanorør til dato. Computermodellen simulerer CNT'er af samme længde som dem, der blev brugt i eksperimenter. Et papir er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Interessant nok, simuleringerne har kun kunnet bekræfte en 200 gange forbedring af vandstrømmen og ikke bekræfte 100, 000-fold forbedring, som nogle eksperimentelle havde påstået. For Petros Koumoutsakos, disse rapporterede ultrahurtige satser er et mysterium. "Vores simuleringer tyder på, at så høje strømningshastigheder ikke er mulige for rent vand og CNT'er, "siger ETH-Zürich-professoren. Koumoutsakos var i stand til at bekræfte, at en øget CNT-længde øger vandgennemstrømningen, omend kun op til en vis længde. Efter 500 nm forbliver transporthastighederne stort set uændrede. Det lykkedes ham også at simulere og forklare teoretisk hindringer for vandindgang og udgang af et rør, der reducerer strømningshastigheden. dette påvirker kun korte CNT'er, har næppe indflydelse på lange.

Millioner af virtuelle molekyler passerer gennem CNT'er

Beregningsmodellen er baseret på rene carbon nanorør, der er en mikrometer lange og cirka to nanometer i diameter, hvorigennem computerforskerne kanaliserede millioner af virtuelle vandmolekyler. Simuleringerne ved formanden for computervidenskab er hidtil usete i omfang, og de var mulige takket være den store computer på Swiss Center for Scientific Computing i Lugano.

Beregningsforskeren kan ikke forstå, hvorfor hans simulerings strømningshastighed adskiller sig så meget fra værdierne målt i visse eksperimenter. "Vores resultater falder selv sammen med resultater fra nyere eksperimentelle test, "understreger Koumoutsakos. Han har mistanke om, at kemiske ændringer af CNT'erne eller andre uobserverede fænomener kan øge strømmen. Dog kan simuleringen ikke tager højde for sådanne urenheder, han siger. Følgelig, Koumoutsakos forestiller sig udviklingen af ​​computermodeller, der også indregner og kvantificerer sådanne usikkerheder.

ETH-Zürich-professoren håber, at hans computermodel vil tilskynde andre forskere til at besøge deres eksperimenter igen og samarbejde for at kvantificere usikkerheder i eksperimenter og simuleringer. Efter hans opfattelse, data indhentet i eksperimenter skal sikkerhedskopieres med simuleringer, før de offentliggøres i fremtiden.

Eksperimenter giver en bred vifte af data

Hyung Gyu Park, adjunkt i energiteknologi ved ETH Zürich, er en af ​​forskerne, der har bestemt strømningshastighederne eksperimentelt. Han udførte eksperimenter med CNT'er, som Koumoutsakos nu delvist sætter spørgsmålstegn ved og offentliggjorde resultaterne i tidsskriftet Videnskab tilbage i 2006. Park observerede transportrater, der var 500 til 8, 500 gange højere end de teoretiske prognoser. I bedste tilfælde, de værdier, han opnåede ved forsøg og simuleringen, afviger 2,5 gange. "Derfor, de passer ret godt sammen, " han siger.

Park erkender, at Koumoutsakos og hans team har opnået en fremragende simulering af molekylær dynamik. Computerforskerne undersøgte grundigt den nødvendige væskefysik og kunne således godt beskrive vandstrømmen i grafitmiljøer på en nanometer skala. Imidlertid, den koreanske forsker påpeger, at denne form for simulering har metodologiske begrænsninger:"Denne simulering kan meget vel tage os et skridt tættere på reelle eksperimentelle forhold, men de afspejler ikke virkeligheden fuldt ud endnu. "

Park siger, at computerforskerens tilgang i princippet er korrekt. Imidlertid, forudsætningerne, som simuleringerne er baseret på, adskiller sig fra hans eksperimenter. For eksempel, han brugte carbon nanorør, der var mellem en og to nanometer i diameter. I simuleringen, imidlertid, diameteren var 2,03 nanometer. Selvom forskellen kan virke lille og ubetydelig, i denne skala ændrer vandtransport sig stærkt, som Park observerede eksperimentelt. Simuleringen tog også kun en rørdiameter i betragtning; hans eksperimenter, imidlertid, tog flere.

Frugtbar diskussion mellem afdelinger

På trods af hans kritik, Park ser simuleringen udviklet af sin afdelingskollega som et vigtigt bidrag, hvoraf eksperimentel forskning kun er til gavn. Han betragter det som et fremskridt inden for modellering af flowfænomener på en nanometer skala og under forhold, der hersker i grafitmiljøer. "Jeg vil kontrollere denne model og mine resultater omhyggeligt med nanorørsmembraner i fremtiden, understreger han. Efter alt, han indrømmer, det er meget vanskeligt at måle sådanne transportprocesser på en nanometer skala eksperimentelt. I øvrigt, det er en udfordring at syntetisere en billion (10 ¹² ) CNT'er med en konstant diameter til konstruktion af en centimeterstørrelse membranindretning, en bedrift Parks forskergruppe opnåede for nylig. De arbejder i øjeblikket på at producere CNT -membraner i større skala.

På trods af deres videnskabelige debat, begge forskere ser det som et sjældent privilegium, at forskere arbejder med eksperimenter og simuleringer om dette emne i samme institution. "Jeg er overbevist om, at vores sunde konkurrence og samarbejde mellem forskere fra begge felter vil stå godt til dette spændende forskningsfelt, "siger Park.