Molekylær trafikprop får vandet til at bevæge sig hurtigere gennem nanokanaler

Biler går langsomt frem i trafikpropper, men molekyler, når det sidder fast, kan bevæge sig ekstremt hurtigt.

Ny forskning fra Northwestern University-forskere finder ud af, at vandmolekyler, der bevæger sig gennem små kulstofnanorør, ikke strømmer kontinuerligt, men snarere intermitterende, som stop-and-go-trafik, med uventede resultater.

"Tidligere simuleringer af molekylær dynamik antydede, at vandmolekyler, der strømmer gennem kulstofnanorør, er jævnt fordelt og bevæger sig i låsetrin med hinanden, " sagde Seth Lichter, professor i maskinteknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science. "Men vores model viser, at de faktisk bevæger sig med mellemrum, muliggør overraskende høje strømningshastigheder på 10 milliarder molekyler i sekundet eller mere."

Forskningen er beskrevet i et Editor's Choice-papir, "Solitons transporterer vand gennem smalle kulstof nanorør, " offentliggjort 27. januar i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Resultaterne kunne løse et problem, der har forvirret væskedynamikeksperter i årevis. I 2005, forskere - der arbejder under den antagelse, at vandmolekyler bevæger sig gennem kanaler i en konstant strøm - gjorde en overraskende opdagelse:vand i kulstofnanorør rejste 10, 000 gange hurtigere end forudsagt.

Fænomenet blev tilskrevet en formodet glathed af kulstofnanorørets overflade, men yderligere undersøgelser afslørede den kontraintuitive rolle af deres iboende ru interiør.

Lichter og post-doc forsker Thomas Sisan udførte nye simuleringer med større tidsopløsning, afsløre lokaliserede variationer i fordelingen af ​​vand langs nanorøret. Variationerne opstår, hvor vandmolekylerne ikke stemmer perfekt overens med afstanden mellem kulstofatomer - hvilket skaber områder, hvor vandmolekylerne er ustabile og derfor forplanter sig ekstremt let og hurtigt gennem nanorøret.

Nanokanaler findes i alle vores celler, hvor de regulerer væskestrømmen gennem cellemembraner. De har også lovende industrielle anvendelser til afsaltning af vand. Ved at bruge de nyopdagede fluiddynamiske principper kunne andre applikationer muliggøres såsom kemisk adskillelse, kulstof nanorør-drevne batterier, og fremstilling af kvanteprikker, nanokrystaller med potentielle anvendelser inden for elektronik.