Beholderes materialeegenskaber påvirker viskositeten af ​​vand på nanoskala

Vand hældes i en kop med nogenlunde samme hastighed, uanset om vandflasken er lavet af glas eller plast.

Men ved skalaer på nanometerstørrelse for vand og potentielt andre væsker, om beholderen er lavet af glas eller plast gør en væsentlig forskel. En ny undersøgelse viser, at i nanoskopiske kanaler, den effektive viskositet af vand i kanaler lavet af glas kan være dobbelt så høj som vand i plastkanaler. Nanoskopiske glaskanaler kan få vandet til at flyde mere som ketchup end almindelig H2O.

Effekten af ​​beholderegenskaber på de væsker, de indeholder, tilbyder endnu et eksempel på overraskende fænomener på nanoskala. Og det giver også en ny faktor, som designere af bittesmå mekaniske systemer skal tage højde for.

"På nanoskalaen, viskositeten er ikke længere konstant, så disse resultater hjælper med at omdefinere vores forståelse af væskeflow på denne skala, " sagde Elisa Riedo, en lektor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Enhver, der udfører et eksperiment, at udvikle en teknologi eller forsøge at forstå en biologisk proces, der involverer vand eller en anden væske i denne størrelsesskala, bliver nu nødt til at tage højde for overfladens egenskaber."

Disse effekter kan være vigtige for designere af enheder såsom højopløsnings 3D-printere, der bruger nanoskala dyser, nanofluidiske systemer og endda visse biomedicinske anordninger. I betragtning af at nano-begrænset vand er allestedsnærværende i dyrekroppe, i sten, og i nanoteknologi, denne nye forståelse kan have en bred indvirkning.

Forskning i egenskaberne af væsker indespærret af forskellige materialer blev sponsoreret af Department of Energy's Office of Basic Sciences og National Science Foundation. Resultaterne var planlagt til at blive rapporteret den 19. september i tidsskriftet Naturkommunikation .

Viskositetsforskellene, der skabes af beholdermaterialer, påvirkes direkte af, i hvilken grad materialerne enten er hydrofile - hvilket betyder, at de tiltrækker vand - eller hydrofobe - hvilket betyder, at de frastøder det. Forskerne mener, at i hydrofile materialer, tiltrækningen af ​​vand - en egenskab kendt som "fugtelighed" - gør vandmolekyler sværere at flytte, bidrager til en stigning i væskens effektive viskositet. På den anden side, vand er ikke så tiltrukket af hydrofobe materialer, gør molekylerne nemmere at flytte og producerer lavere viskositet.

I forskning rapporteret i tidsskriftet, denne vandadfærd optrådte kun, når vandet var begrænset til rum på nogle få nanometer eller mindre - svarende til blot et par lag af vandmolekyler. Viskositeten fortsatte med at stige, efterhånden som overfladerne blev flyttet tættere på hinanden.

Forskerholdet studerede vand indespærret af fem forskellige overflader:glimmer, grafenoxid, silicium, diamantlignende kulstof, og grafit. Glimmer, bruges i boreindustrien, var det mest hydrofile af materialerne, mens grafit var det mest hydrofobe.

"Vi så et klart en-til-en forhold mellem den grad, hvori det begrænsende materiale var hydrofilt, og den viskositet, vi målte, " sagde Riedo.

Eksperimentelt, forskerne begyndte med at forberede atomisk glatte overflader af materialerne, derefter placere højt renset vand på dem. Næste, en AFM-spids lavet af silicium blev flyttet hen over overfladerne i forskellige højder, indtil den fik kontakt. Spidsen - omkring 40 nanometer i diameter - blev derefter løftet op, og målingerne fortsatte.

Efterhånden som vandets viskositet steg, kraften, der var nødvendig for at flytte AFM-spidsen, steg også, får den til at vride lidt på den udkragende bjælke, der bruges til at hæve og sænke spidsen. Ændringer i denne torsionsvinkel blev målt ved hjælp af en laser, der blev kastet af det reflekterende udhæng, giver en indikation af ændringer i den kraft, der udøves på spidsen, den tyktflydende modstand – og dermed vandets effektive viskositet.

"Da AFM-spidsen var omkring en nanometer væk fra overfladen, vi begyndte at se en stigning i den viskøse kraft, der virker på spidsen for de hydrofile overflader, " sagde Riedo. "Vi var nødt til at bruge større kræfter for at flytte spidsen på dette tidspunkt, og jo tættere vi kom på overfladen, jo mere dramatisk blev dette."

Disse forskelle kan forklares ved at forstå, hvordan vand opfører sig forskelligt på forskellige overflader.

"På nanoskalaen, væske-overflade interaktionskræfter bliver vigtige, især når væskemolekylerne er indespærret i små rum, " forklarede Riedo. "Når overfladerne er hydrofile, vandet klæber til overfladen og vil ikke bevæge sig. På hydrofobe overflader, vandet glider på overfladerne. Med denne undersøgelse, ikke kun har vi observeret denne nanoskala befugtningsafhængige viskositet, men vi har også kunnet forklare kvantitativt oprindelsen af ​​de observerede ændringer og relatere dem til grænseglidning. Denne nye forståelse var i stand til at forklare tidligere uklare resultater af energispredning under dynamiske AFM-studier i vand."

Mens forskerne hidtil kun har undersøgt effekten af ​​materialeegenskaberne i vandkanaler, Riedo forventer at udføre lignende eksperimenter på andre væsker, herunder olier. Ud over simple væsker, hun håber at studere komplekse væsker sammensat af nanopartikler i suspension for at bestemme, hvordan fænomenet ændrer sig med partikelstørrelse og kemi.

"Der er ingen grund til, at dette ikke skulle være sandt for andre væsker, hvilket betyder, at dette kunne omdefinere den måde, som væskedynamik forstås på nanoskala, " sagde hun. "Enhver teknologi og naturlig proces, der bruger væsker indesluttet på nanoskala, vil blive påvirket."