Nanofluidikeita voitaisiin käyttää veden puhdistamiseen, energian tuottamiseen ja nanomittakaavan koneiden rakentamiseen. Mutta kun vesi virtaa hiilinanoputken läpi, klassinen nestemekaniikka hajoaa, mikä johtaa hämmentäviä kokeellisiin löydöksiin, jotka tutkijat ovat pitäneet "kvanttikitka"-nimisen vaikutuksena. Philip Ball selittää
Jos seisot valuvan suihkun alla ja valittelet matalaa vedenpainettasi, verhokuoren taustalaskennan avulla saat selville veden viskositeetin, paineen ja vesiputkien koon välisen suhteen. Jos putket pienennettiin muutaman mikronin leveyteen, sinun on myös tiedettävä, kuinka paljon kitkaa on veden ja itse putken välillä, mikä tulee merkittäväksi mikromittakaavassa.
Mutta mitä tapahtuisi, jos putket olisivat niin kapeita, että vain muutama vesimolekyyli mahtuisi läpi kerralla? Vaikka nanomittakaavan putkityö saattaa kuulostaa sekä epäkäytännölliseltä että mahdottomalta, voimme itse rakentaa sen hiilinanoputkien ansiosta. Pian sen jälkeen japanilainen fyysikko Sumio Iijima löysi moniseinäisiä hiilinanoputkia vuonna 1991 (luonto 354 56), tutkijat alkoivat pohtia, voitaisiinko näitä pieniä rakenteita käyttää molekyylimittakaavan putkina nesteiden imemiseen ja kuljettamiseen.
Hiilinanoputkien seinämät hylkivät vettä, mikä saa tutkijat olettamaan, että vesi voi tunkeutua näiden rakenteiden läpi lähes kitkattomasti. Tällaisella tehokkaalla virtauksella puhuttiin nanoputkien käytöstä veden suolanpoistoon, vedenpuhdistukseen ja muihin "nanofluidisiin" teknologioihin.
Normaalin nestedynamiikan mukaan virtaavan nesteen ja putken seinämän välinen kitka ei saisi muuttua putken kapeneessa. Kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että kun vesi virtaa hiilinanoputken läpi, putken liukkaus riippuu sen halkaisijasta.
Osoittautuu, että nanomittakaavassa nestemekaniikan lakeja säätelevät veden ja hiilen välisten vuorovaikutusten kvanttimekaaniset näkökohdat
Osoittautuu, että nanomittakaavassa nestemekaniikan lakeja säätelevät veden ja hiilen välisten vuorovaikutusten kvanttimekaaniset näkökohdat, ja ne voivat aiheuttaa uuden ilmiön, jota kutsutaan "kvanttikitkaksi". Kitka on usein haitaksi, mutta onko se ongelma vai mahdollisuus, riippuu kekseliäisyydestämme.
Kvanttikitkaa voidaan hyödyntää nanomittakaavan virtausanturien kehittämiseen tai ultrapienten venttiilien valmistamiseen nanofluidiikkaa varten. Tämän jopa huoneenlämmössä toimivan yllättävän kvanttiefektin löytäminen on avannut lelulaatikon niin käytännön nanoteknologiasovelluksiin kuin teoreettiseen molekyylifysiikkaankin. "Kvanttiputkimiehille" olemme vasta alussa selvittääkseen, mitä sisällä on.
Liukkaat putket
Tarina alkaa tosissaan 2000-luvun alussa, kun tietokonesimulaatiot hiilinanoputkien läpi virtaavasta vedestä (luonto 438 44 ja luonto 414 188) osoitti, että vesimolekyylit todellakin liikkuvat hyvin pienellä kitkalla putken seinämän ohi. Tämä luo vaikuttavia virtausnopeuksia, jopa nopeammin kuin erikoistuneiden nanomittakaavan proteiinikanavien kautta, jotka säätelevät veden tasoa eläin- ja kasvisoluissa.
Muut simulaatiot, suorittaja Ben Corry klo Australian kansallinen yliopisto, ehdotti, että jos nanoputket ovat vain muutaman ångströmin halkaisijaltaan – niin että vain muutama vesimolekyyli mahtuu halkaisijaan – rakenteet voisivat suodattaa suolat pois.J. Phys. Chem. B 112 1427). Tämä johtuu siitä, että liuenneita suola-ioneja ympäröi vesimolekyylien "hydraatiokuori", jonka pitäisi olla liian suuri kulkeakseen putken läpi. Tämä havainto nosti esiin mahdollisuuden luoda suolanpoistokalvoja kohdistetuista nanoputkista, joiden pieni kitka varmistaa korkeat veden virtausnopeudet.
Varhaiset kokeet tällaisilla kalvoilla (tiede 312 1034) 2000-luvulla Olgica Bakajinryhmä osoitteessa Lawrence Livermore National Laboratory Kaliforniassa lupasi (kuva 1). Mutta käytännölliset seikat, jotka liittyvät vankkaiden, kustannustehokkaiden kalvojen valmistamiseen samankokoisista nanoputkista, ovat johtaneet melko hitaisiin edistykseen.
1 Nopeuden tarve
Grafeenin hydrofobinen pinta tekee siitä houkuttelevan materiaalin pienikitkaisille nanomittakaavan putkille, mutta käy ilmi, että virtaus on myös herkkä nanoputken koosta.
Nanoputkien veden virtauksen lähempi tarkastelu teki asioista vieläkin monimutkaisempia. Vuonna 2016 fyysikko Lydéric Bocquet että Ecole Normale Supérieure Pariisissa ja hänen työtoverinsa tekivät kokeita, jotka osoittivat, että paineen alaisena hiilinanoputkien läpi virtaava vesi nopeutuu putken halkaisijan pienentyessä noin 100 nm:iin (luonto 537 210). Toisin sanoen nanoputket näyttävät liukkaammilta mitä pienemmiksi niistä tulee. Boorinitridistä valmistettujen nanoputkien virtausnopeudet eivät kuitenkaan riippuneet putken halkaisijasta ollenkaan, mikä on aivan kuten yksinkertaisista klassisista malleista voisi odottaa.
Hiilinanoputket valmistetaan samankeskisistä grafeenikerroksista, jotka koostuvat hiiliatomeista, jotka on järjestetty 1D-kennohilaan. Grafeenilevyt ovat sähköä johtavia – niissä on liikkuvia elektroneja – kun taas boorinitridi on eristävä, vaikka sillä on myös kuusikulmainen hilarakenne.
Tämä ero sai Bocquetin ja kollegat epäilemään, että odottamaton käyttäytyminen saattoi jotenkin liittyä putken seinämien elektronitiloihin. Mysteerin lisäämiseksi muut kokeet osoittivat, että vesi virtaa nopeammin grafeenista valmistettuja nanomittakanavia pitkin kuin grafiitista valmistettuja kanavia, jotka ovat vain pinottuja grafeenikerroksia. Grafeenin samankeskiset kerrokset hiilinanoputkessa antavat niille grafiitin kaltaisen rakenteen, joten tämä voi olla avainasemassa ymmärtämään, kuinka vesi kulkeutuu nanoputkien läpi.
Tämän kiehtovan teoreettisen pulman ratkaisemisella voi olla tärkeitä vaikutuksia nanoputkikalvojen käytännön käyttöön. "Tällaiset virtaukset ovat kaikenlaisten kalvotieteen prosessien keskiössä", sanoo Nikita Kavokine, fyysikko yrityksessä Max Planckin polymeeritutkimusinstituutti Mainzissa Saksassa. "Haluamme pystyä valmistamaan materiaaleja, jotka toimivat paremmin veden läpäisevyyden ja ioniselektiivisyyden suhteen."
Vuonna 2022 Bocquet ehdotti ratkaisua kemistin kanssa Marie-Laure Bocquet ja Kavokine (joka oli silloin ENS:ssä) – kvanttikitkan käsite (luonto 602 84). He väittivät, että grafiitin yli virtaavaa vettä voidaan hidastaa eräänlaisella vastusella, joka syntyy vedessä olevien varausvaihteluiden ja grafeenilevyjen liikkuvien elektronien aaltomaisten viritteiden vuorovaikutuksesta.
Ensi silmäyksellä näyttää epätodennäköiseltä, että erittäin kevyet elektronit olisivat vuorovaikutuksessa paljon raskaampien atomien ja molekyylien kanssa, koska ne liikkuvat niin erilaisilla nopeuksilla. "Naiivi ajatus on, että elektronit liikkuvat paljon nopeammin kuin vesimolekyylit", Kavokine sanoo, "joten ne eivät koskaan puhu toisilleen dynaamisesti."
Suuri ero elektronien ja atomien liikkeiden välillä on loppujen lopuksi sen perusta Born-Oppenheimer approksimaatio, jonka avulla voimme laskea atomien ja molekyylien elektroniset tilat tarvitsematta huolehtia atomien liikkeiden vaikutuksesta. Kuten Bocquet myöntää, kun hän ja hänen työtoverinsa päättivät ensimmäisen kerran tutkia tällaisen vuorovaikutuksen mahdollisuutta, "alkoimme hyvin epämääräisistä ideoista emmekä optimistisesti".
Mutta kun tutkijat tekivät laskelmia, he havaitsivat, että grafiitin elektronit ja vedessä olevat molekyylit voivat tuntea toisensa. Tämä johtuu siitä, että vesimolekyylien lämpöliikkeet luovat lyhytaikaisia tiheyseroja paikasta toiseen. Ja koska vesimolekyylit ovat polaarisia – niillä on epäsymmetrinen sähkövarauksen jakautuminen – nämä tiheyden vaihtelut tuottavat vastaavat varausvaihtelut, joita kutsutaan Debye-moodiksi nesteessä. Grafiitin elektronipilvessä on myös aaltomaisia varausvaihteluita, jotka käyttäytyvät kvasihiukkasina, jotka tunnetaan "plasmoneina" (kuva 2).
Tilastofyysikon mukaan Giancarlo Franzese että Barcelonan yliopisto, avain kvanttikitkan ymmärtämiseen on ymmärtää, että veden ominaisuuksia on käsiteltävä usean kappaleen ongelmana: Debye-moodia aiheuttavat vaihtelut ovat kollektiivisia, eivät vain yhden molekyylin ominaisuuksien summa.
2 Lisää vauhtia
Kun vesi virtaa grafeenin tai grafiitin pinnan yli, hiilihilan plasmoneiksi kutsutut elektroniset viritteet liittyvät nesteen tiheyden vaihteluihin, mikä tarkoittaa, että liikemäärä ja energia voidaan siirtää näiden kahden välillä.
Bocquet ja kollegat havaitsivat, että sekä plasmoniaaltoja grafiitissa että Debye-moodissa vedessä voi esiintyä taajuuksilla, jotka ovat noin useita biljoonia sekunnissa – terahertsien alueella. Tämä tarkoittaa, että näiden kahden välillä voi olla resonanssia, jolloin toinen voi innostua, aivan kuten nuotin äänekäs laulaminen voi saada vaimentamattoman pianokielen värisemään, jos sillä on sama sävelkorkeus.
Tällä tavalla grafiitin pinnan yli virtaava vesi voi siirtää vauhtia grafiitin sisällä oleviin plasmoneihin ja siten hidastua ja kokea vastusta. Toisin sanoen Born–Oppenheimer-approksimaatio hajoaa tässä: vaikutus, jota Bocquet kutsuu "valtavaksi yllätykseksi".
Ratkaisevaa on, että grafiitin plasmonit, jotka kytkeytyvät voimakkaimmin veteen, johtuvat elektroneista, jotka hyppäävät pinottujen grafeenilevyjen välissä. Siksi niitä ei esiinny yksittäisissä grafeenilevyissä (kuva 3). Bocquet ja kollegat ajattelivat, että tämä selittäisi, miksi vesi virtaa hitaammin grafiitin yli kuin grafeenin yli - koska vain edellisessä tapauksessa on voimakasta kvanttikitkaa.
3 Elektronihyppely
Kaavakuva grafiitin rakenteesta ja kerrostenvälisistä plasmoneista, jotka liittyvät vahvaan kvanttikitkaan. "A" ja "B" alihilat luonnehtivat grafiittirakennetta, jossa "A"-atomit sijaitsevat suoraan naapurikerrosten atomien välissä. Grafiitin plasmonimuodot, jotka liittyvät voimakkaimmin veden varauksen vaihteluihin, johtuvat grafeenilevyjen välistä hyppäävistä elektroneista. Tässä sitomisparametrit kuvaavat energiaa, joka tarvitaan elektronien tunneliin vierekkäisten tai toiseksi lähimpien arkkien välillä.
Mutta selittäisikö se kuinka veden virtausnopeus hiilinanoputkessa riippuu putken halkaisijasta? Suurissa nanoputkissa, joiden halkaisija on yli noin 100 nm ja joissa seinillä on suhteellisen pieni kaarevuus, pinottujen grafeenikerrosten välinen elektronisten tilojen kytkentä on paljolti sama kuin normaalissa grafiitissa litteillä levyillä, joten veden kokema kvanttikitka virtaus on maksimivoimakkuudellaan.
Mutta kun putket kapenevat ja niiden seinämät kaareutuvat voimakkaammin, niiden seinämien kerrosten välinen elektroninen vuorovaikutus heikkenee ja kerrokset käyttäytyvät enemmän kuin itsenäiset grafeenilevyt. Joten alle 100 nm:n halkaisijan kvanttikitka pienenee, ja jos putket ovat kapeampia kuin noin 20 nm, sitä ei ole ollenkaan – putket ovat niin liukkaita kuin klassiset teoriat ennustavat.
Melko kummallista, tässä tapauksessa järjestelmässä näyttää olevan vähemmän "kvantiteettia", kun se pienenee
"Lydéricin työ on erittäin jännittävää", sanoo Angelos Michaelides, teoreettinen kemisti University of Cambridge Isossa-Britanniassa, jonka vesi-grafeeni-rajapinnan yksityiskohtaiset tietokonesimulaatiot vahvistivat, että kvanttikitkaa esiintyy (Nano Lett. 23 580).
Yksi kvanttikitkan omituisista ominaisuuksista on, että toisin kuin sen klassinen vastine, se ei ole riippuvainen suorasta kosketuksesta kahden aineen välillä suhteellisessa liikkeessä. Kvanttikitka hidastaisi vettä, vaikka sen ja hiilinanoputken välissä olisi ohut tyhjiökerros. Sandra Troian mistä Kalifornian teknillinen korkeakoulu rajapintojen nestemekaniikkaa tutkiva Pasadena sanoo, että tämä "kitka etäältä" liittyy paljon aikaisempaan ajatukseen, jonka venäläinen fyysikko Leonid Levitov ehdotti vuonna 1989 (EPL 8 499).
Elektronien jakautumisen vaihtelut atomien ympärillä tarkoittavat, että neutraalit atomit, molekyylit ja materiaalit voivat kohdistaa toisiinsa heikon sähköstaattisen voiman, jota kutsutaan Van der Waalsin voimaksi. Levitov väitti, että tämä voisi aiheuttaa vetäytymistä toistensa ohi liikkuville esineille, vaikka ne olisivat erotettu tyhjiöstä. "Levitov laittoi koko käsitteellisen pallon liikkeelle ehdottamalla, että kaukaa vaikuttavat kvanttivaikutukset voivat synnyttää kitkavoiman ilman suoraa fyysistä kosketusta", Troian sanoo.
Nanomittakaavan putkityöt
Kaikki kuulostaa teoriassa hyvältä, mutta voisiko idea testata kokeellisella tavalla? Tätä varten Kavokine on tehnyt yhteistyötä Mischa Bonn, myös Mainzissa, joka on spektroskopian asiantuntija veden dynamiikan tutkimisessa. Aluksi, Bonn myöntää, hän oli skeptinen. "Ajattelin, kaverit, tämä on todella siisti teoria, mutta et voi mitenkään nähdä sitä huoneenlämmössä." Mutta hän suostui kokeilemaan sitä.
"Kitka on liikemäärän siirtoa", Bonn selittää. "Mutta kuinka voimme mitata sen? No, voin mitata energiansiirtoa – sitä me yleensä teemme spektroskopiassa.” Joten Kavokine kirjoitti kvanttikitkan teorian uudelleen niin, että se kvantifioi energiansiirron liikemäärän siirron sijaan. Sitten he lähtivät katsomaan, voisivatko he havaita tällaisen energiansiirron elektronin ja veden dynamiikan välillä.
Laskelmat ennustivat, että kvanttikitka on heikompaa grafeenissa kuin grafiitissa, mutta Bonnin tiimi kehitti kokeen grafeenilla, koska he olivat jo tutkineet sen elektronidynamiikkaa. Bonn selittää, että grafeenin yksikerroksisessa kerroksessa on tasossa oleva plasmoni, johon veden vaihtelut voivat liittyä, joten kvanttikitkaa pitäisi silti esiintyä, vaikka se on heikompi vaikutus kuin grafiitilla.
Tutkijat käyttivät optisia laserpulsseja veteen upotetun yksittäisen grafeenilevyn elektronien virittämiseen, mikä itse asiassa nosti "elektronista lämpötilaa" äkillisesti niin, että se oli poissa tasapainosta veden kanssa.Luonto Nanotekniikka. 18 898). "Siellä on tietty sisäinen jäähtymisaika", Bonn sanoo. Tämä on otettu jäähdytysnopeudeksi tyhjiössä. "Mutta jos on merkittävää energiansiirtoa [grafeeniplasmonien ja veden Debye-moodien välillä], sen jäähtymisnopeuden pitäisi nousta, kun vettä on läsnä."
Ja juuri sen he näkivät. Kun elektronit jäähtyvät, niiden kyky absorboida valoa terahertsin taajuusalueella kasvaa. Bonn ja kollegat saattoivat päätellä jäähtymisnopeuden tarkkailemalla eri aikoina laukaistujen terahertsipulssien absorptiota alkuperäisen jännittävän laserpulssin jälkeen. Tässä tapauksessa veden ja elektronien välillä näytti tapahtuvan energiansiirtoa – kvanttikitkan tunnusmerkki – jopa vain yksikerroksisessa grafeenikerroksessa (kuva 4).
4 Kvanttikitkan etsiminen
Kvanttikitkan etsimiseen käytettiin "terahertsispektroskopiaksi" kutsuttua tekniikkaa. Tämä tekniikka mittaa materiaalin (tässä tapauksessa grafeenilevyn) jäähtymisnopeutta sen jälkeen, kun se on kuumennettu laserpulssilla. Kun lämpöviritys heikkenee, materiaalin kyky absorboida säteilyä muuttuu. Jäähdytysnopeus lasketaan tarkkailemalla sarjan terahertsipulssien absorptiota. Terahertsispektroskopia voidaan suorittaa tyhjiössä tai nestehauteessa. Jos nesteen läsnäolo saa grafeenin jäähtymään nopeammin kuin tyhjiössä, tämä osoittaa, että kyseessä on kvanttikitka.
Sitä vastoin kun grafeeni upotettiin metanoliin tai etanoliin, elektronien jäähtymisnopeus oli hitaampi kuin tyhjiössä. Nämä ovat polaarisia nesteitä, mutta niillä ei ole Debye-moodia sopivilla taajuuksilla, ja ne vain estävät elektronien lämpörelaksaatiota.
"Alkuvaistoni olivat väärät", Bonn myöntää iloisesti, "joten se oli erittäin miellyttävä yllätys, kun se toimi." Mutta vaikka hän sanoo, että tulokset ovat kvantitatiivisesti yhdenmukaisia teoreettisten ennusteiden kanssa, tarvitaan lisäkokeita sen saavuttamiseksi. Lisäksi he ovat toistaiseksi katsoneet vain litteitä grafeenilevyjä, jotka ovat kosketuksissa bulkkiveden kanssa. "Haluamme todella siirtyä nanosuljettuun veteen", hän sanoo. He ovat jo aloittaneet laajentamisen.
Piippuunen ulkopuolella
Voidaanko kvanttikitkaa käyttää hyväksi? Kavokine toivoo niin, ja on keksinyt termin "kvanttiputkityö" kuvaamaan pyrkimyksiä tehdä niin. "Näemme, kuinka mekaaninen työ [kuten nestevirtaus] voi puhua suoraan sähköisestä liikkeestä", Bocquet sanoo. "Jos esimerkiksi liikutat nestettä, voit indusoida sähkövirran."
Tutkijat pohtivat nyt, miten mekaanisen työn ja elektronien liikkeen välistä energian suoraa muuntamista voitaisiin hyödyntää – esimerkiksi keräämällä jätevirtojen energiaa elektronisten virtojen tuottamiseksi tai käyttämällä elektronista ohjausta virtausnopeuksien muuttamiseksi ja siten nanomittakaavan venttiileiden luomiseksi tai pumput. "Se ei ole mahdotonta", Bonn vakuuttaa.
Kavokine huomauttaa, että biologiset järjestelmät ovat – proteiinien hienon rakenteellisen virittävyyden ansiosta – erittäin hyviä säätelemään virtauksia hyvin pienissä mittakaavassa. Vaikka hän pitää "epätodennäköisenä", että kukaan voisi saavuttaa tällaisen rakenteellisen virittävyyden asteen, "[työmme] osoittaa, että voimme pelata sen sijaan elektronisella viritettävyydellä saavuttaaksemme samanlaisia toimintoja hyvin erilaisella fysiikalla" - mitä hän kutsuu "antibiomimeettiseksi reitiksi". ” virtauksen nanotekniikkaan.
Kvanttikitkan ymmärtäminen voi olla hyödyllistä pienikitkaisten materiaalien valmistuksessa, Franzese sanoo. ”Voiteluaineita käytetään usein ratkaisuna, mutta monet niistä eivät ole kestäviä”, hän sanoo – joten luonnostaan vähäkitkaisen materiaalin suunnittelu olisi parempi vaihtoehto. Lisäksi lähestymistapa, jonka mukaan vesi-kiinteä-rajapinnan luonnetta pidetään usean kehon ongelmana, "saattaa vaikuttaa muihin aloihin, kuten suodatukseen ja nesteseosten erottamiseen".
Kylmä: kuinka fyysikot oppivat käsittelemään ja liikuttamaan hiukkasia laserjäähdytyksellä
Sillä välin Michaelides ja Bocquet tutkivat ajatusta käyttää grafiittilevyn elektronisia viritteitä välittäjänä, jotta kaksi virtausta sen kummallakin puolella voivat kommunikoida siten, että toinen saattaisi indusoida toisen: mitä he kutsuvat virtaustunnelointiksi. Heidän simulaationsa osoittavat, että sen pitäisi olla periaatteessa mahdollista.
"Katsoin tämän työn monia tärkeitä sovelluksia [kvanttikitkalle]", sanoo Troian, "uin biologisista järjestelmistä kalvopohjaiseen erotukseen, suolanpoistoon, nesteakkuihin, nanokoneisiin ja muihin."
Riippumatta siitä, mitä kvanttiputkimiehet lopulta tuottavat, kuten Bocquet siististi päättelee, "se on erittäin mukava leikkipaikka".
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
