Vandnanodråber glider hurtigere hen over grafen end en gepard

I en ny undersøgelse, forskere har drevet vanddråber hen over en grafenoverflade med hastigheder på op til 250 km (155 miles) i timen - hvilket, til sammenligning, er cirka dobbelt så hurtig som en spurtende gepard. Vanddråbernes ultrahurtige hastigheder kræver ingen pumpe, men i stedet opstår simpelthen på grund af de geometriske mønstre på grafenoverfladen, som skaber forskellige kontaktvinkler foran og bagpå de bevægelige dråber for at drive dem fremad.

Forskerne, Ermioni Papadopoulou og Petros Koumoutsakos ved ETH Zürich, Constantine M. Megaridis ved University of Illinois i Chicago, og Jens H. Walther ved ETH Zürich og Danmarks Tekniske Universitet, har udgivet et papir om de hurtigt bevægende vanddråber i et nyligt nummer af ACS Nano .

"Vi kan få meget højhastighedsstyret transport af vanddråber på nanoskala, uden at bruge nogen energi, men blot gennem mønstret af grafen, " fortalte Koumoutsakos Phys.org . "Dette kan have vigtige anvendelser inden for nanofremstilling og præcis lægemiddellevering. Det giver også for første gang en simpel kvantitativ forklaring på den ultrahurtige transport af vand på nanoskala."

Denne nano-/mikroskala transportform er meget anderledes end noget andet observeret på makroskalaen. Grafenoverfladen var strukturelt mønstret for at skabe befugtningsgradienter, lige fra hydrofob til hydrofil. Vandets nanodråber, hver bestående af cirka 1500 vandmolekyler, blev derefter placeret på overfladen. De forskellige overflademønstre skabte store kontaktvinkler på de hydrofobe domæner og mindre kontaktvinkler på de hydrofile domæner. Forskellene i kontaktvinklerne ved de fremadskridende og vigende ende af vanddråberne satte dråberne i bevægelse og accelererede dem fremad.

Lignende mekanismer findes i naturen, såsom på overfladen af ​​Namib-ørkenbillen og årenetværket af bananblade. Disse overflader har mønstre, der resulterer i forbedret opsamling og transport af vand.

I eksperimenter med grafen, forskerne observerede vanddråbehastigheder i størrelsesordenen 100 meter i sekundet, som er to størrelsesordener hurtigere end de højeste rapporterede hastigheder for vanddråber drevet frem af visse andre metoder, såsom overfladeenergigradienter. Som forventet, mindre dråber bevæger sig hurtigere end større på grund af de større dråbers øgede inerti og større friktion med overfladen.

Efter at have analyseret de underliggende mekanismer for vandtransporten, forskerne udledte en skaleringslov og udviklede en model, der kan bruges til at forudsige dråbebaner. Disse oplysninger kan bruges til at designe fremtidige enheder til potentielle applikationer, såsom højeffektiv medicinlevering, elproduktion, og ultrahurtig varmeafledning til nano- og mikroskalasystemer. Forskerne planlægger yderligere at undersøge højhastigheds-vandtransportmekanismer andre steder end grafen.

"Vi undersøger ultrahurtig transport af vand i andre nanostrukturer, såsom kulstof nanorør, " sagde Koumoutsakos.

© 2019 Science X Network