Kvantefriktion sænker vandstrømmen gennem kulstofnanorør og løser et langvarigt mysterium om væskedynamik

I 15 år har videnskabsmænd været forbløffet over den mystiske måde, hvorpå vand strømmer gennem de små passager af kulstofnanorør - rør med vægge, der kun kan være et atom tykke. Strømmene har forvirret alle teorier om væskedynamik; paradoksalt nok passerer væske lettere gennem smallere nanorør, og i alle nanorør bevæger den sig næsten uden friktion. Hvilken friktion der er, har også trodset forklaringen.

I en hidtil uset mashup af væskedynamik og kvantemekanik rapporterer forskere i en ny teoretisk undersøgelse offentliggjort 2. februar i Nature at de endelig har et svar:'kvantefriktion.'

Den foreslåede forklaring er den første indikation af kvanteeffekter på grænsen mellem et fast stof og en væske, siger studieforfatter Nikita Kavokine, en forsker ved Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics (CCQ) i New York City.

"Vand-carbon-systemet har undret videnskabsmænd i over et årti, og vi foreslår den første rimelige forklaring på, hvad der sker," siger Kavokine. "Dette arbejde viser en sammenhæng mellem hydrodynamik og stoffets kvanteegenskaber, som ikke var indlysende indtil nu."

I deres forklaring foreslår Kavokine og hans kolleger, at de passerende vandmolekyler interagerer med elektroner i nanorørets vægge, så molekylerne og elektronerne skubber og trækker i hinanden og bremser strømmen.

Denne effekt er stærkest for nanorørvarianter, der er konstrueret af flere lag af enkeltatom-tykke kulstofplader. Det er fordi elektroner kan hoppe fra lag til lag. For smallere nanorør forårsager geometriske begrænsninger fejljustering mellem lagene. Forskerne foreslår, at denne atomare skala mismatch hindrer elektronhop, reducerer friktion og forårsager hurtigere strømme gennem tættere rør.

De teoretiske resultater kan have betydelige implikationer for foreslåede carbon nanorør-applikationer, såsom filtrering af salt fra havvand eller generering af energi ved at bruge forskellen i saltholdighed mellem saltvand og ferskvand. Mindre friktion betyder mindre energi er nødvendig for at tvinge vand gennem rørene.

"Vores arbejde skitserer radikalt nye måder at kontrollere væskestrømmen på nanometerskalaen ved hjælp af avancerede materialer," siger Lydéric Bocquet, en forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) i Paris. Sammen med Kavokine var han medforfatter til det nye studie sammen med Marie-Laure Bocquet, som også er forskningsdirektør ved CNRS.

Forskerne overvejede nanorør med diametre fra 20 til 100 nanometer. Til sammenligning er et vandmolekyle 0,3 nanometer på tværs. Rørene kan være så små takket være deres robuste byggemateriale, grafen:enkeltatom-tykke plader af kulstofatomer i et bikagemønster. Når du stabler flere grafenlag, får du grafit (som den slags, der findes i blyant).

Siden 2005 har forskere målt, hvor hurtigt og nemt vand bevæger sig gennem kulstofnanorør. Fordi de er så små, ville nanorør lave temmelig forfærdelige sugerør:Væsken flyder med kun milliardtedele af en liter i sekundet.

Men væsken bevæger sig i det mindste med meget lidt modstand, fordi grafenvæggene i rørene er helt glatte. Denne mangel på overfladeruhed reducerer modstanden på passerende vandmolekyler. Grafenen fanger heller ikke molekyler på overfladen, som mange andre materialer gør. Disse fangede molekyler kan på samme måde bremse strømmen.

Målinger i tidlige undersøgelser tydede på, at vand strømmer næsten uden friktion gennem nanorørene. I 2016 dog en eksperimentel undersøgelse i Nature medforfatter af Lydéric Bocquet fandt ud af, at mængden af ​​friktion afhænger af nanorørets radius. Forvirrende nok gik friktionseffekten op for større nanorør. Det gav ikke mening, da de større rør skulle være lige så glatte som de mindre. Disse mærkværdigheder førte til debat inden for feltet og blev vigtige videnshuller i studiet af nanoskalastrømme.

Fordi eksisterende teorier om væskedynamik slog fejl, dykkede Kavokine og hans kolleger dybere ned i grafenvæggenes egenskaber. En sådan tilgang er usædvanlig for at studere væsker, siger Kavokine. "I hydrodynamik er væggen bare en væg, og man er ligeglad med, hvad væggen er lavet af. Vi indså, at på nanoskalaen bliver det faktisk meget vigtigt." Især indså Kavokine, at kvanteeffekter ved grafen-vand-grænsefladen kunne producere friktion ved at tillade det strømmende vand at sprede energi ind i de strømmende elektroner i grafenet.

Overraskende nok hjalp COVID-19-pandemien forskningen. "Der var en stejl teoretisk læringskurve til at tackle dette problem," siger Kavokine. "Jeg var nødt til at læse en masse grundlæggende bøger og lære nye ting, og det hjalp virkelig at være i lockdown i flere måneder."

En afgørende faktor var, at nogle af elektronerne i grafen kan bevæge sig frit gennem materialet. Derudover kan disse elektroner interagere med vandmolekyler elektromagnetisk. Det skyldes, at hvert vandmolekyle har en let positivt ladet ende og en svagt negativt ladet ende, fordi oxygenatomet trækker kraftigere på elektronskyen end brintatomerne.

I forskernes forklaring bevæger elektroner i grafenvæggen sig sammen med passerende vandmolekyler. Men elektronerne har en tendens til at sakke lidt bagud, hvilket bremser molekylerne. Denne effekt er kendt som elektronisk eller kvantefriktion og er kun tidligere blevet betragtet som en faktor i interaktioner mellem to faste stoffer eller en enkelt partikel og et fast stof.

Situationen er dog mere kompleks, når den involverer en væske, hvor mange molekyler interagerer sammen. Elektronerne og vandmolekylerne rykker på grund af deres varmeenergi. Hvis de tilfældigvis jiggler med samme frekvens, opstår der en effekt kaldet en resonans, der øger kvantefriktionskraften. Denne resonanseffekt er størst for nanorør med godt afstemte lag, da elektronernes bevægelse mellem lagene er synkroniseret med vandmolekylernes.

Denne nyfundne interaktion mellem væsker og faste stoffer gik ubemærket indtil nu af to hovedårsager, siger Kavokine. For det første er den resulterende friktion så lille, at den ville være ubetydelig for materialer med ru overflader. For det andet afhænger effekten af, at elektronerne tager lidt tid at tilpasse sig de bevægelige vandmolekyler. Molekylære simuleringer kan ikke detektere friktionen, fordi de bruger Born-Oppenheimer-tilnærmelsen, som antager, at elektroner tilpasser sig øjeblikkeligt til bevægelsen af ​​nærliggende atomer.

Den nye undersøgelse er teoretisk, så forskerne siger, at eksperimenter er nødvendige for at bekræfte deres forslag og udforske nogle af dets kontraintuitive konsekvenser. De påpeger også, at der er behov for forbedrede simuleringer, der ikke er afhængige af Born-Oppenheimer-tilnærmelsen. "Jeg håber, at dette ændrer vores måde at håndtere disse systemer på og bringer nye teoretiske værktøjer til andre problemer," siger Kavokine. + Udforsk yderligere

Kontrol over vandfriktion med 2D-materialer peger på "smarte membraner"