Mød 'kvante blikkenslagerne', der afslører væskemekanikkens mysterier på nanoskala – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-4.jpg" data-caption="Går med strømmen Strømmen af ​​vand gennem kulstof nanorør kan kontrolleres ved at udnytte de mærkelige kvanteeffekter, der opstår på nanoskalaen. (Med høflighed: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

Hvis du står under et rislende brusebad og beklager dit lave vandtryk, vil en bagsideberegning give dig forholdet mellem vandets viskositet, tryk og størrelsen på dine vandrør. Hvis dine rør blev skaleret ned til et par mikrometers bredde, skal du også vide, hvor meget friktion der er mellem vandet og selve røret, hvilket bliver væsentligt på mikroskalaen.

Men hvad ville der ske, hvis dine rør var så smalle, at kun få vandmolekyler kunne passe igennem på én gang? Selvom VVS i nanoskala kan lyde både upraktisk og umuligt, er det noget, vi faktisk kan bygge takket være kulstof nanorør. Kort efter japansk fysiker Sumio Iijima opdagede flervæggede kulstof nanorør i 1991 (Natur 354 56), begyndte forskere at spekulere på, om disse små strukturer kunne bruges som rør i molekylær skala til at suge op og transportere væsker.

Carbon nanorør har vægge, der afviser vand, hvilket får forskere til at antage, at vand kan glide gennem disse strukturer næsten friktionsfrit. Med et så effektivt flow var der tale om at bruge nanorørene til vandafsaltning, vandrensning og andre "nanofluidiske" teknologier.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg" data-caption="Pakket ind Artist’s impression of the concentric graphene layers in a multi-wall carbon nanotube. (Courtesy: iStock/theasis)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg”>

Ifølge standard væskedynamik bør friktionen mellem en strømmende væske og rørvæggen ikke ændre sig, efterhånden som røret bliver smallere. Forsøg har dog vist, at når vand strømmer gennem et kulstofnanorør, afhænger rørets glathed af dets diameter.

Det viser sig, at på nanoskala er væskemekanikkens love styret af de kvantemekaniske aspekter af vekselvirkningerne mellem vand og kulstof

Det viser sig, at på nanoskala er væskemekanikkens love styret af de kvantemekaniske aspekter af vekselvirkningerne mellem vand og kulstof og kan give anledning til et nyt fænomen, der kaldes "kvantefriktion". Friktion er ofte til gene, men om det er et problem eller en mulighed her afhænger af vores opfindsomhed.

Kvantefriktion kan udnyttes til at udvikle flowsensorer i nanoskala eller til at lave ultrasmå ventiler til nanofluidik. Opdagelsen af ​​denne overraskende kvanteeffekt – som endda virker ved stuetemperatur – har åbnet op for en legetøjskasse til både praktiske nanoteknologiske anvendelser og teoretisk molekylær fysik. For "kvante blikkenslagere" er vi kun i begyndelsen af ​​at finde ud af, hvad der er indeni.

Glatte rør

Historien begynder for alvor i begyndelsen af ​​2000'erne, da computersimuleringer af vand, der strømmer gennem kulstof nanorør (Natur 438 44 , Natur 414 188) viste, at vandmolekyler faktisk bevæger sig med meget lav friktion forbi rørvæggen. Dette skaber imponerende strømningshastigheder, endnu hurtigere end gennem de specialiserede proteinkanaler på nanoskala, der regulerer vandniveauet i dyre- og planteceller.

Andre simuleringer, udført af Ben Corry ved Australian National University, foreslog, at hvis nanorørene kun er et par ångstrømme på tværs – så kun nogle få vandmolekyler passer inden for diameteren – kan strukturerne filtrere salte fra (J. Phys. Chem. B 112 1427). Det skyldes, at opløste saltioner er omgivet af en "hydreringsskal" af vandmolekyler, som burde være for store til at passere gennem røret. Denne opdagelse rejste muligheden for at skabe afsaltningsmembraner fra arrays af justerede nanorør, med den lave friktion, der sikrer høje vandstrømningshastigheder.

Tidlige eksperimenter på sådanne membraner (Videnskab 312 1034) i 2000'erne af Olgica Bakajin's gruppe ved Lawrence Livermore National Laboratory i Californien viste løfter (figur 1). Men det praktiske ved at fremstille robuste, omkostningseffektive membraner med nanorør, der alle har samme størrelse, har ført til ret langsomme fremskridt.

Et nærmere kig på vandstrømmen i nanorør gjorde tingene endnu mere komplicerede. I 2016 fysiker Lydéric Bocquet af Ecole Normale Supérieure i Paris og hans medarbejdere udførte eksperimenter, der viste, at vand, der strømmer under tryk gennem kulstofnanorør, bliver hurtigere, da rørdiameteren bliver mindre end omkring 100 nm (Natur 537 210). Med andre ord virker nanorør glattere, jo mindre de bliver. Men for nanorør fremstillet af bornitrid afhang strømningshastighederne slet ikke af rørdiameteren, hvilket er præcis som man ville forvente af simple klassiske modeller.

Kulstof nanorør er lavet af koncentriske lag af grafen, som består af kulstofatomer arrangeret i et 1D honeycomb gitter. Grafenplader er elektrisk ledende - de har mobile elektroner - hvorimod bornitrid er isolerende, på trods af at de også har en sekskantet gitterstruktur.

Denne forskel fik Bocquet og kolleger til at mistænke, at den uventede adfærd på en eller anden måde kunne være forbundet med elektrontilstandene i rørvæggene. For at føje til mysteriet viste andre eksperimenter, at vandet flyder hurtigere ned ad nanoskalakanaler lavet af grafen end dem lavet af grafit - som bare er stablede lag af grafen. De koncentriske lag af grafen i et kulstofnanorør giver dem en grafitlignende struktur, så dette kan være nøglen til at forstå, hvordan vand transporteres gennem nanorørene.

Løsning af dette fristende teoretiske puslespil kan have vigtige konsekvenser for praktisk anvendelse af nanorørmembraner. "Sådanne strømme er i centrum for alle mulige processer inden for membranvidenskab," siger Nikita Kavokine, en fysiker ved Max Planck Institut for Polymerforskning i Mainz, Tyskland. "Vi ønsker at være i stand til at lave materialer, der yder bedre med hensyn til vandpermeabilitet og ionselektivitet."

I 2022 foreslog Bocquet en løsning med kemiker Marie-Laure Bocquet og Kavokine (som dengang var ved ENS) – begrebet kvantefriktion (Natur 602 84). De hævdede, at vand, der strømmer over grafit, kan bremses af en slags træk, der er skabt af samspillet mellem ladningsudsving i vandet med bølgelignende excitationer i grafenpladernes mobile elektroner.

Ved første øjekast virker det usandsynligt, at meget lette elektroner skulle interagere med meget tungere atomer og molekyler, da de bevæger sig med så forskellige hastigheder. "Den naive idé er, at elektroner bevæger sig meget hurtigere end vandmolekyler," siger Kavokine, "så de vil aldrig tale dynamisk sammen med hinanden."

Den store forskel i tidsskalaer mellem elektronernes og atomernes bevægelser er trods alt grundlaget for Born-Oppenheimer tilnærmelse, som lader os beregne de elektroniske tilstande af atomer og molekyler uden at skulle bekymre os om effekten af ​​atomiske bevægelser. Som Bocquet indrømmer, da han og hans kolleger først besluttede at undersøge muligheden for en sådan interaktion, "startede vi med meget vage ideer og ikke optimistisk".

Men da forskerne lavede beregningerne, fandt de ud af, at der var en måde, hvorpå elektronerne i grafit og molekylerne i vand kunne mærke hinanden. Det skyldes, at vandmolekylernes termiske bevægelser skaber kortvarige forskelle i tæthed fra sted til sted. Og fordi vandmolekyler er polære - de har en asymmetrisk fordeling af elektrisk ladning - producerer disse tæthedssvingninger tilsvarende ladningssvingninger kaldet Debye-tilstande i væsken. Elektronskyen i grafit udviser også bølgelignende ladningsudsving, som opfører sig som kvasipartikler kendt som "plasmoner" (figur 2).

Ifølge statistisk fysiker Giancarlo Franzese af University of Barcelona, er nøglen til at forstå kvantefriktion at erkende, at vandets egenskaber skal behandles som et mange-legeme-problem: de fluktuationer, der forårsager Debye-tilstandene, er kollektive, ikke blot summen af ​​enkelt-molekyle egenskaber.

Bocquet og kolleger fandt ud af, at både plasmonbølger i grafit- og Debye-tilstande i vand kan forekomme med frekvenser på omkring flere billioner pr. sekund - i terahertz-området. Det betyder, at der kan være resonans mellem de to, så den ene kan blive begejstret af den anden, ligesom at synge en tone højt kan få en udæmpet klaverstreng til at vibrere, hvis den har samme tonehøjde.

På denne måde kan vand, der strømmer over en grafitoverflade, overføre momentum til plasmonerne inde i grafitten og derved blive bremset og opleve modstand. Med andre ord bryder Born-Oppenheimer-tilnærmelsen sammen her: en effekt, som Bocquet kalder "en kæmpe overraskelse".

Det er afgørende, at de plasmoner i grafit, der kobler sig stærkest til vandet, er forårsaget af elektroner, der hopper mellem de stablede grafenplader. De forekommer derfor ikke i enkelte ark grafen (figur 3). Det, regnede Bocquet og kollegerne, ville forklare, hvorfor vand flyder langsommere over grafit end over grafen - for kun i det førstnævnte tilfælde er der stærk kvantefriktion.

Men ville det forklare, hvordan strømningshastigheden af ​​vand i et kulstofnanorør afhænger af rørets diameter? I store nanorør med diametre over omkring 100 nm, hvor væggene har relativt lav krumning, er koblingen af ​​de elektroniske tilstande mellem de stablede grafenlag stort set den samme, som den er i normal grafit med flade plader, så kvantefriktionen opleves af vand flowet har sin maksimale styrke.

But as the tubes get narrower and their walls become more strongly curved, the electronic interactions between the layers in their walls get weaker, and the layers behave more like independent graphene sheets. Below about 100 nm diameter the quantum friction declines, and if the tubes are narrower than about 20 nm there is none at all – the tubes are as slippery as the classical theories predict. So rather bizarrely, in this case, there seems to be less “quantumness” in the system as it gets smaller.

Rather bizarrely, in this case, there seems to be less “quantumness” in the system as it gets smaller

"Lydérics arbejde er superspændende," siger Angelos Michaelides, en teoretisk kemiker fra University of Cambridge i Storbritannien, hvis detaljerede computersimuleringer af vand-grafen-grænsefladen bekræftede, at der opstår kvantefriktion (Nano Lett. 23 580).

En af de mærkelige egenskaber ved kvantefriktion er, at den i modsætning til dens klassiske modstykke ikke er afhængig af direkte kontakt mellem de to stoffer i relativ bevægelse. Kvantefriktion ville bremse vandet, selvom der var et tyndt vakuumlag mellem det og kulstofnanorøret. Sandra Troian fra California Institute of Technology i Pasadena, som studerer grænsefladers fluidmekanik, siger, at denne "friktion på afstand" er relateret til en meget tidligere idé foreslået i 1989 af den russiske fysiker Leonid Levitov (EPL 8 499).

Udsving i elektronfordelingen omkring atomer betyder, at neutrale atomer, molekyler og materialer kan udøve en svag elektrostatisk kraft på hinanden kaldet Van der Waals-kraften. Levitov hævdede, at dette kunne skabe et træk på objekterne, der bevæger sig forbi hinanden, selv når de er adskilt af et vakuum. "Levitov satte hele den konceptuelle bold i gang ved at foreslå, at kvanteeffekter, der virker på afstand, kan generere en friktionskraft uden direkte fysisk kontakt," siger Troian.

VVS på nanoskalaen

Det lyder alt sammen godt i teorien, men kunne ideen afprøves? For at gøre det har Kavokine slået sig sammen med Mischa Bonn, også i Mainz, en ekspert i at bruge spektroskopi til at undersøge vandets dynamik. Til at begynde med, indrømmer Bonn, var han skeptisk. "Jeg syntes, gutter, det her er en rigtig fed teori, men der er ingen måde, du vil se det ved stuetemperatur." Men han gik med til at give det en chance.

"Friktion er momentumoverførsel," forklarer Bonn. "Men hvordan kan vi måle det? Nå, jeg kan måle energioverførsel – det er det, vi typisk gør i spektroskopi.” Så Kavokine omskrev teorien for kvantefriktion, så den kvantificerede energioverførslen snarere end momentumoverførslen. Så gik de ud for at se, om de kunne få øje på en sådan energioverførsel mellem elektron- og vanddynamikken.

Beregningerne forudsagde, at kvantefriktion er svagere i grafen end grafit, men Bonns hold udtænkte et eksperiment med grafen, fordi de allerede havde studeret dets elektrondynamik. Bonn forklarer, at grafenmonolaget har en plasmon i planet, som vandudsvingene kan kobles til, så kvantefriktion bør stadig være til stede, selvom det vil være en svagere effekt end i grafit.

Forskerne brugte optiske laserimpulser til at excitere elektronerne i et enkelt ark grafen nedsænket i vand, hvilket i realiteten brat hævede den "elektroniske temperatur", så den var ude af ligevægt med vandet (Natur Nanoteknologi. 18 898). "Der er en vis iboende afkølingstid," siger Bonn - dette anses for at være afkølingshastigheden i et vakuum. "Men hvis der er betydelig energioverførsel [mellem grafen-plasmonerne og Debye-vandets tilstande], så bør den afkølingshastighed stige, når der er vand til stede."

Og det var præcis, hvad de så. Når elektronerne afkøles, øges deres evne til at absorbere lys i terahertz-frekvensområdet. Ved at overvåge absorptionen af ​​terahertz-impulser affyret på forskellige tidspunkter efter den indledende spændende laserimpuls, kunne Bonn og kolleger udlede afkølingshastigheden. I dette tilfælde syntes der at være energioverførsel mellem vandet og elektronerne - en signatur på kvantefriktion - selv for blot et monolag af grafen (figur 4).

I modsætning hertil, når grafenen blev nedsænket i methanol eller ethanol, var elektronernes afkølingshastighed langsommere end i et vakuum. Disse er polære væsker, men de har ikke Debye-tilstande ved de passende frekvenser, og de hæmmer blot den termiske afslapning af elektronerne.

"Mine oprindelige instinkter var forkerte," indrømmer Bonn lystigt, "så det var en meget behagelig overraskelse, da det virkede." Men mens han siger, at resultaterne er kvantitativt i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser, er der behov for yderligere eksperimenter for at opnå det. Desuden har de indtil videre kun set på flade grafenplader i kontakt med bulkvand. "Vi vil rigtig gerne gå til nanobundet vand," siger han - en udvidelse, de allerede har påbegyndt.

Ud over en drøm

Kan kvantefriktion bruges? Kavokine håber det, og har opfundet udtrykket "kvante VVS" for at beskrive bestræbelser på at gøre det. "Vi kan se, hvordan mekanisk arbejde [som væskeflow] kan tale direkte til elektronisk bevægelse," siger Bocquet. "For eksempel, hvis du flytter en væske, kan du inducere en elektronisk strøm."

Forskerne tænker nu på, hvordan man kan udnytte den direkte omdannelse af energi mellem mekanisk arbejde og elektronbevægelse – for eksempel ved at høste energien fra affaldsstrømme for at generere elektroniske strømme, eller ved at bruge elektronisk styring til at ændre strømningshastigheder og dermed skabe ventiler i nanoskala eller pumper. "Det er ikke umuligt," bekræfter Bonn.

Kavokine påpeger, at biologiske systemer - takket være den fine strukturelle afstemning af proteiner - er meget gode til at kontrollere strømninger i meget små skalaer. Selvom han mener, det er "usandsynligt", at nogen kunne opnå den grad af strukturel tunbarhed, "viser [vores arbejde] at vi i stedet kan lege med den elektroniske tunability for at opnå lignende funktioner med meget forskellig fysik" - hvad han kalder en "anti-biomimetisk rute ” at flyde nanoteknik.

At forstå kvantefriktion kan være nyttigt til fremstilling af lavfriktionsmaterialer, siger Franzese. "Smøremidler bruges ofte som en løsning, men mange af dem er ikke bæredygtige," siger han - så at designe et materiale med iboende lav friktion ville være en bedre mulighed. Hvad mere er, tilgangen med at betragte karakteren af ​​grænsefladen mellem vand og fast stof som et problem med mange legeme "kan have konsekvenser på andre områder såsom filtrering og adskillelse af væskeblandinger".

Kold: hvordan fysikere lærte at manipulere og flytte partikler med laserkøling

I mellemtiden udforsker Michaelides og Bocquet ideen om at bruge de elektroniske excitationer af et ark grafit som et mellemled for at tillade to strømme på hver side af det at kommunikere, sådan at den ene kan fremkalde den anden: det, de kalder flow-tunnelering. Deres simuleringer viser, at det i princippet burde være muligt.

"Jeg forestiller mig mange vigtige anvendelser af dette arbejde [om kvantefriktion]," siger Troian, "lige fra biologiske systemer til dem, der involverer membranbaseret adskillelse, afsaltning, flydende batterier, nanomaskiner og mere."

Uanset hvad kvante blikkenslagere i sidste ende producerer, som Bocquet pænt konkluderer, "er det en meget flot legeplads".

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/