Γνωρίστε τους «κβαντικούς υδραυλικούς» που αποκαλύπτουν τα μυστήρια της μηχανικής ρευστών στη νανοκλίμακα – 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="Πηγαίνοντας με τη ροή Η ροή του νερού μέσω νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να ελεγχθεί με την εκμετάλλευση των περίεργων κβαντικών επιδράσεων που εμφανίζονται στη νανοκλίμακα. (Ευγενική προσφορά: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

Εάν στέκεστε κάτω από ένα ντους που ρέει θρηνώντας τη χαμηλή πίεση του νερού σας, ένας υπολογισμός στο πίσω μέρος του φακέλου θα σας δώσει τη σχέση μεταξύ του ιξώδους του νερού, της πίεσης και του μεγέθους των σωλήνων νερού σας. Εάν οι σωλήνες σας είχαν μειωθεί σε πλάτος μερικά μικρά, θα πρέπει επίσης να γνωρίζετε πόση τριβή υπάρχει μεταξύ του νερού και του ίδιου του σωλήνα, η οποία γίνεται σημαντική σε μικροκλίμακα.

Τι θα συνέβαινε όμως αν οι σωλήνες σας ήταν τόσο στενοί που μόνο λίγα μόρια νερού μπορούσαν να χωρέσουν ταυτόχρονα; Ενώ οι υδραυλικές εγκαταστάσεις νανοκλίμακας μπορεί να ακούγονται τόσο μη πρακτικές όσο και αδύνατες, είναι κάτι που μπορούμε πραγματικά να κατασκευάσουμε χάρη στους νανοσωλήνες άνθρακα. Αμέσως μετά Ιάπωνας φυσικός Sumio Iijima ανακάλυψε νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων το 1991 (Φύση 354 56), οι ερευνητές άρχισαν να αναρωτιούνται εάν αυτές οι μικροσκοπικές δομές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως σωλήνες μοριακής κλίμακας για την αναρρόφηση και τη μεταφορά υγρών.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν τοιχώματα που απωθούν το νερό, με αποτέλεσμα οι επιστήμονες να υποθέσουν ότι το νερό μπορεί να περάσει με φερμουάρ μέσα από αυτές τις δομές σχεδόν χωρίς τριβές. Με τόσο αποτελεσματική ροή, έγινε λόγος για χρήση των νανοσωλήνων για αφαλάτωση νερού, καθαρισμό νερού και άλλες «νανορευστικές» τεχνολογίες.

<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="Τυλιγμένο Η εντύπωση του καλλιτέχνη για τα ομόκεντρα στρώματα γραφενίου σε έναν νανοσωλήνα άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων. (Ευγενική προσφορά: iStock/theasis)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” 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”>

Σύμφωνα με την τυπική ρευστοδυναμική, η τριβή μεταξύ ενός ρέοντος υγρού και του τοιχώματος του σωλήνα δεν πρέπει να αλλάζει καθώς ο σωλήνας στενεύει. Ωστόσο, πειράματα έχουν δείξει ότι όταν το νερό ρέει μέσα από έναν νανοσωλήνα άνθρακα, η ολισθηρότητα του σωλήνα εξαρτάται από τη διάμετρό του.

Αποδεικνύεται ότι στη νανοκλίμακα, οι νόμοι της μηχανικής των ρευστών διέπονται από τις κβαντομηχανικές πτυχές των αλληλεπιδράσεων μεταξύ νερού και άνθρακα

Αποδεικνύεται ότι στη νανοκλίμακα, οι νόμοι της μηχανικής των ρευστών διέπονται από τις κβαντομηχανικές πτυχές των αλληλεπιδράσεων μεταξύ νερού και άνθρακα και μπορούν να προκαλέσουν ένα νέο φαινόμενο που ονομάζεται «κβαντική τριβή». Η τριβή είναι συχνά ενοχλητικός, αλλά το αν είναι πρόβλημα ή ευκαιρία εδώ εξαρτάται από την εφευρετικότητά μας.

Η κβαντική τριβή μπορεί να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη αισθητήρων ροής νανοκλίμακας ή για την κατασκευή εξαιρετικά μικροσκοπικών βαλβίδων για νανορευστικά. Η ανακάλυψη αυτού του εκπληκτικού κβαντικού φαινομένου – το οποίο λειτουργεί ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου – έχει ανοίξει ένα κουτί παιχνιδιών για πρακτικές εφαρμογές νανοτεχνολογίας και θεωρητικής μοριακής φυσικής. Για τους «κβαντικούς υδραυλικούς», είμαστε μόνο στην αρχή για να ανακαλύψουμε τι υπάρχει μέσα.

Γλιστεροί σωλήνες

Η ιστορία ξεκινά σοβαρά στις αρχές της δεκαετίας του 2000, όταν προσομοιώσεις σε υπολογιστή του νερού που ρέει μέσω νανοσωλήνων άνθρακα (Φύση 438 44 και Φύση 414 188) έδειξε ότι τα μόρια του νερού κινούνται πράγματι με πολύ χαμηλή τριβή πέρα ​​από το τοίχωμα του σωλήνα. Αυτό δημιουργεί εντυπωσιακούς ρυθμούς ροής, ακόμη πιο γρήγορους από ό,τι μέσω των εξειδικευμένων καναλιών πρωτεΐνης νανοκλίμακας που ρυθμίζουν τα επίπεδα του νερού στα ζωικά και φυτικά κύτταρα.

Άλλες προσομοιώσεις, που πραγματοποιήθηκαν από Μπεν Κόρι κατά τη Αυστραλιανό Εθνικό Πανεπιστήμιο, πρότεινε ότι εάν οι νανοσωλήνες έχουν μόνο λίγα ångstroms - έτσι ώστε μόνο λίγα μόρια νερού να χωρούν στη διάμετρο - οι δομές θα μπορούσαν να φιλτράρουν τα άλατα (J. Φυσ. Chem. σι 112 1427). Αυτό συμβαίνει επειδή τα διαλυμένα ιόντα αλατιού περιβάλλονται από ένα «κέλυφος ενυδάτωσης» μορίων νερού, το οποίο θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλο για να περάσει μέσα από το σωλήνα. Αυτό το εύρημα αύξησε την πιθανότητα δημιουργίας μεμβρανών αφαλάτωσης από συστοιχίες ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων, με τη χαμηλή τριβή να εξασφαλίζει υψηλούς ρυθμούς ροής νερού.

Πρώιμα πειράματα σε τέτοιες μεμβράνες (Επιστήμη 312 1034) τη δεκαετία του 2000 από Olgica Bakajinτης ομάδας στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια έδειξε υπόσχεση (εικόνα 1). Αλλά οι πρακτικές δυνατότητες της κατασκευής στιβαρών, οικονομικά αποδοτικών μεμβρανών με νανοσωλήνες που έχουν όλοι το ίδιο μέγεθος έχουν οδηγήσει σε μάλλον αργή πρόοδο.

Μια πιο προσεκτική ματιά στη ροή του νερού στους νανοσωλήνες έκανε τα πράγματα ακόμα πιο περίπλοκα. Το 2016 φυσικός Lydéric Bocquet του Ecole Normale Supérieure στο Παρίσι και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν πειράματα που έδειξαν ότι το νερό που ρέει υπό πίεση μέσω νανοσωλήνων άνθρακα γίνεται πιο γρήγορο καθώς η διάμετρος του σωλήνα γίνεται μικρότερη από περίπου 100 nm (Φύση 537 210). Με άλλα λόγια, οι νανοσωλήνες φαίνονται πιο ολισθηροί όσο πιο μικροί γίνονται. Ωστόσο, για τους νανοσωλήνες που κατασκευάζονται από νιτρίδιο του βορίου, οι ρυθμοί ροής δεν εξαρτώνται καθόλου από τη διάμετρο του σωλήνα, κάτι που είναι ακριβώς όπως θα περίμενε κανείς από τα απλά κλασικά μοντέλα.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα κατασκευάζονται από ομόκεντρα στρώματα γραφενίου, το οποίο αποτελείται από άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε ένα δικτυωτό πλέγμα 1D. Τα φύλλα γραφενίου είναι ηλεκτρικά αγώγιμα - έχουν κινητά ηλεκτρόνια - ενώ το νιτρίδιο του βορίου είναι μονωτικό, παρόλο που έχει επίσης μια δομή εξαγωνικού πλέγματος.

Αυτή η διαφορά έκανε τον Bocquet και τους συναδέλφους να υποπτεύονται ότι η απροσδόκητη συμπεριφορά μπορεί να συνδέεται με κάποιο τρόπο με τις καταστάσεις ηλεκτρονίων στα τοιχώματα του σωλήνα. Για να προσθέσουμε στο μυστήριο, άλλα πειράματα έδειξαν ότι το νερό ρέει πιο γρήγορα κάτω από τα κανάλια νανοκλίμακας που είναι κατασκευασμένα από γραφένιο από αυτά που είναι κατασκευασμένα από γραφίτη - που είναι απλώς στοιβαγμένα στρώματα γραφενίου. Τα ομόκεντρα στρώματα γραφενίου σε έναν νανοσωλήνα άνθρακα τους δίνουν μια δομή που μοιάζει με γραφίτη, επομένως αυτό θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το νερό μεταφέρεται μέσω των νανοσωλήνων.

Η επίλυση αυτού του δελεαστικού θεωρητικού παζλ θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις για τις πρακτικές χρήσεις των μεμβρανών νανοσωλήνων. «Τέτοιες ροές βρίσκονται στο επίκεντρο όλων των ειδών των διαδικασιών στην επιστήμη των μεμβρανών», λέει Νικήτα Καβοκίνη, φυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Πολυμερών στο Μάιντς της Γερμανίας. «Θέλουμε να είμαστε σε θέση να φτιάχνουμε υλικά που έχουν καλύτερη απόδοση όσον αφορά τη διαπερατότητα του νερού και την επιλεκτικότητα ιόντων».

Το 2022 ο Bocquet πρότεινε μια λύση με τον χημικό Μαρί-Λορ Μποκέ και Kavokine (που ήταν τότε στο ENS) - η έννοια της κβαντικής τριβής (Φύση 602 84). Υποστήριξαν ότι το νερό που ρέει πάνω από τον γραφίτη μπορεί να επιβραδυνθεί από ένα είδος οπισθέλκουσας που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση των διακυμάνσεων του φορτίου στο νερό με τις κυματοειδείς διεγέρσεις στα κινητά ηλεκτρόνια των φύλλων γραφενίου.

Με την πρώτη ματιά, φαίνεται απίθανο τα πολύ ελαφριά ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν με πολύ βαρύτερα άτομα και μόρια, δεδομένου ότι κινούνται με τόσο διαφορετικές ταχύτητες. «Η αφελής ιδέα είναι ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ πιο γρήγορα από τα μόρια του νερού», λέει ο Kavokine, «έτσι δεν θα μιλήσουν ποτέ μεταξύ τους δυναμικά».

Η μεγάλη διαφορά στα χρονικά διαστήματα μεταξύ των κινήσεων των ηλεκτρονίων και των ατόμων είναι τελικά η βάση του Προσέγγιση Born–Oppenheimer, που μας επιτρέπει να υπολογίσουμε τις ηλεκτρονικές καταστάσεις των ατόμων και των μορίων χωρίς να χρειάζεται να ανησυχούμε για την επίδραση των ατομικών κινήσεων. Όπως παραδέχεται ο Bocquet, όταν αυτός και οι συνεργάτες του αποφάσισαν για πρώτη φορά να διερευνήσουν την πιθανότητα μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης, «ξεκινήσαμε με πολύ ασαφείς ιδέες και όχι αισιόδοξα».

Όταν όμως οι ερευνητές έκαναν τους υπολογισμούς, διαπίστωσαν ότι υπήρχε ένας τρόπος για τα ηλεκτρόνια του γραφίτη και τα μόρια του νερού να αισθάνονται το ένα το άλλο. Αυτό συμβαίνει επειδή οι θερμικές κινήσεις των μορίων του νερού δημιουργούν βραχύβιες διαφορές στην πυκνότητα από μέρος σε μέρος. Και επειδή τα μόρια του νερού είναι πολικά – έχουν ασύμμετρη κατανομή ηλεκτρικού φορτίου – αυτές οι διακυμάνσεις της πυκνότητας παράγουν αντίστοιχες διακυμάνσεις φορτίου που ονομάζονται τρόποι Debye μέσα στο υγρό. Το νέφος ηλεκτρονίων στον γραφίτη παρουσιάζει επίσης κυματοειδείς διακυμάνσεις φορτίου, οι οποίες συμπεριφέρονται ως οιονεί σωματίδια γνωστά ως «πλασμόνια» (εικόνα 2).

Σύμφωνα με τον στατιστικό φυσικό Τζιανκάρλο Φραντσέζε του Πανεπιστήμιο Βαρκελώνης, το κλειδί για την κατανόηση της κβαντικής τριβής είναι να αναγνωρίσουμε ότι οι ιδιότητες του νερού πρέπει να αντιμετωπίζονται ως πρόβλημα πολλών σωμάτων: οι διακυμάνσεις που προκαλούν τους τρόπους Debye είναι συλλογικές, όχι απλώς το άθροισμα των ιδιοτήτων ενός μορίου.

Ο Bocquet και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τόσο τα κύματα πλασμονίου στον γραφίτη όσο και οι λειτουργίες Debye στο νερό μπορεί να εμφανιστούν με συχνότητες περίπου πολλών τρισεκατομμυρίων ανά δευτερόλεπτο - στην περιοχή των terahertz. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχει μια αντήχηση μεταξύ των δύο, έτσι ώστε ο ένας να μπορεί να ενθουσιαστεί από τον άλλον, όπως το να τραγουδάς μια νότα δυνατά μπορεί να προκαλέσει δόνηση μιας άσβεστης χορδής πιάνου αν έχει τον ίδιο τόνο.

Με αυτόν τον τρόπο, το νερό που ρέει πάνω από μια επιφάνεια γραφίτη μπορεί να μεταφέρει ορμή στα πλασμόνια εντός του γραφίτη και ως εκ τούτου να επιβραδυνθεί, με αποτέλεσμα την έλξη. Με άλλα λόγια, η προσέγγιση Born–Oppenheimer αναλύεται εδώ: ένα αποτέλεσμα που ο Bocquet αποκαλεί «μια τεράστια έκπληξη».

Το σημαντικότερο είναι ότι τα πλασμόνια στον γραφίτη που συνδέονται πιο έντονα με το νερό προκαλούνται από τα ηλεκτρόνια που πηδούν ανάμεσα στα στοιβαγμένα φύλλα γραφενίου. Επομένως, δεν εμφανίζονται σε μεμονωμένα φύλλα γραφενίου (εικόνα 3). Αυτό, κατάλαβαν ο Bocquet και οι συνεργάτες του, θα εξηγούσε γιατί το νερό ρέει πιο αργά πάνω από τον γραφίτη παρά πάνω από το γραφένιο – γιατί μόνο στην πρώτη περίπτωση υπάρχει ισχυρή κβαντική τριβή.

Αλλά θα εξηγούσε πώς ο ρυθμός ροής του νερού σε έναν νανοσωλήνα άνθρακα εξαρτάται από τη διάμετρο του σωλήνα; Σε μεγάλους νανοσωλήνες με διαμέτρους πάνω από περίπου 100 nm, όπου τα τοιχώματα έχουν σχετικά χαμηλή καμπυλότητα, η σύζευξη των ηλεκτρονικών καταστάσεων μεταξύ των στοιβαγμένων στρωμάτων γραφενίου είναι σχεδόν ίδια όπως συμβαίνει στον κανονικό γραφίτη με επίπεδα φύλλα, έτσι η κβαντική τριβή που παρατηρείται από το νερό η ροή είναι στη μέγιστη ισχύ της.

Αλλά καθώς οι σωλήνες στενεύουν και τα τοιχώματά τους γίνονται πιο έντονα καμπυλωμένα, οι ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στρωμάτων στα τοιχώματά τους γίνονται πιο αδύναμες και τα στρώματα συμπεριφέρονται περισσότερο σαν ανεξάρτητα φύλλα γραφενίου. Κάτω από τη διάμετρο περίπου 100 nm, η κβαντική τριβή μειώνεται και αν οι σωλήνες είναι στενότεροι από περίπου 20 nm, δεν υπάρχει καθόλου - οι σωλήνες είναι τόσο ολισθηροί όσο προβλέπουν οι κλασικές θεωρίες. Οπότε μάλλον παράξενα, σε αυτήν την περίπτωση, φαίνεται να υπάρχει μικρότερη «κβαντικότητα» στο σύστημα καθώς γίνεται μικρότερο.

Μάλλον παράξενα, σε αυτήν την περίπτωση, φαίνεται να υπάρχει μικρότερη «κβαντικότητα» στο σύστημα καθώς γίνεται μικρότερο

«Το έργο του Lydéric είναι εξαιρετικά συναρπαστικό», λέει Άγγελος Μιχαηλίδης, ένας θεωρητικός χημικός από το Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο, του οποίου οι λεπτομερείς προσομοιώσεις υπολογιστή της διεπαφής νερού-γραφενίου επιβεβαίωσαν ότι συμβαίνει κβαντική τριβή (Nano Lett. 23 580).

Ένα από τα περίεργα χαρακτηριστικά της κβαντικής τριβής είναι ότι, σε αντίθεση με την κλασική της τριβή, δεν βασίζεται στην άμεση επαφή μεταξύ των δύο ουσιών σε σχετική κίνηση. Η κβαντική τριβή θα επιβράδυνε το νερό ακόμα κι αν υπήρχε ένα λεπτό στρώμα κενού μεταξύ αυτού και του νανοσωλήνα άνθρακα. Sandra Troian από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα, που μελετά τη μηχανική των ρευστών των διεπαφών, λέει ότι αυτή η «τριβή σε απόσταση» σχετίζεται με μια πολύ παλαιότερη ιδέα που προτάθηκε το 1989 από τον Ρώσο φυσικό Leonid Levitov (ΕΠΛ 8 499).

Οι διακυμάνσεις στην κατανομή ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα σημαίνουν ότι τα ουδέτερα άτομα, τα μόρια και τα υλικά μπορούν να ασκήσουν μια ασθενή ηλεκτροστατική δύναμη το ένα στο άλλο που ονομάζεται δύναμη Van der Waals. Ο Λεβίτοφ υποστήριξε ότι αυτό θα μπορούσε να δημιουργήσει αντίσταση στα αντικείμενα που κινούνται το ένα δίπλα από το άλλο, ακόμη και όταν χωρίζονται από ένα κενό. «Ο Λεβίτοφ έθεσε σε κίνηση ολόκληρη την εννοιολογική μπάλα προτείνοντας ότι τα κβαντικά φαινόμενα που δρουν σε απόσταση μπορούν να δημιουργήσουν μια δύναμη τριβής χωρίς άμεση φυσική επαφή», λέει ο Τρόιαν.

Υδραυλική νανοκλίμακα

Όλα ακούγονται καλά στη θεωρία, αλλά θα μπορούσε η ιδέα να τεθεί σε πειραματική δοκιμή; Για να γίνει αυτό, ο Kavokine συνεργάστηκε με Mischa Bonn, επίσης στο Mainz, ειδικός στη χρήση φασματοσκοπίας για την ανίχνευση της δυναμικής του νερού. Στην αρχή, παραδέχεται η Bonn, ήταν δύσπιστος. «Ήμουν σαν, παιδιά, αυτή είναι μια πολύ ωραία θεωρία, αλλά δεν υπάρχει περίπτωση να τη δείτε σε θερμοκρασία δωματίου». Όμως συμφώνησε να το δοκιμάσει.

«Η τριβή είναι μεταφορά ορμής», εξηγεί η Βόννη. «Αλλά πώς μπορούμε να το μετρήσουμε αυτό; Λοιπόν, μπορώ να μετρήσω τη μεταφορά ενέργειας – αυτό κάνουμε συνήθως στη φασματοσκοπία». Έτσι ο Kavokine ξανάγραψε τη θεωρία για την κβαντική τριβή έτσι ώστε να ποσοτικοποιήσει τη μεταφορά ενέργειας, παρά τη μεταφορά ορμής. Στη συνέχεια ξεκίνησαν να δουν αν μπορούσαν να εντοπίσουν τέτοια μεταφορά ενέργειας μεταξύ της δυναμικής του ηλεκτρονίου και του νερού.

Οι υπολογισμοί προέβλεψαν ότι η κβαντική τριβή είναι ασθενέστερη στο γραφένιο από τον γραφίτη, αλλά η ομάδα του Bonn επινόησε ένα πείραμα με το γραφένιο επειδή είχε ήδη μελετήσει τη δυναμική των ηλεκτρονίων του. Η Bonn εξηγεί ότι η μονοστιβάδα γραφενίου έχει ένα πλασμόνιο εντός του επιπέδου με το οποίο οι διακυμάνσεις του νερού μπορούν να συνδεθούν, επομένως η κβαντική τριβή θα πρέπει να εξακολουθεί να υπάρχει, αν και θα είναι πιο αδύναμο από ό,τι στον γραφίτη.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν οπτικούς παλμούς λέιζερ για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια σε ένα μόνο φύλλο γραφενίου βυθισμένο στο νερό, αυξάνοντας στην πραγματικότητα απότομα την «ηλεκτρονική θερμοκρασία» έτσι ώστε να είναι εκτός ισορροπίας με το νερό (Nature Nanotechnol. 18 898). "Υπάρχει ένας ορισμένος εγγενής χρόνος ψύξης", λέει ο Bonn - αυτός θεωρείται ότι είναι ο ρυθμός ψύξης στο κενό. «Αλλά εάν υπάρχει σημαντική μεταφορά ενέργειας [μεταξύ των πλασμονίων γραφενίου και των τρόπων νερού Debye] τότε αυτός ο ρυθμός ψύξης θα πρέπει να αυξάνεται όταν υπάρχει νερό».

Και αυτό ακριβώς είδαν. Καθώς τα ηλεκτρόνια ψύχονται, η ικανότητά τους να απορροφούν φως στην περιοχή συχνοτήτων των terahertz αυξάνεται. Παρακολουθώντας την απορρόφηση των παλμών terahertz που εκτοξεύτηκαν σε διαφορετικούς χρόνους μετά τον αρχικό συναρπαστικό παλμό λέιζερ, ο Bonn και οι συνεργάτες του μπορούσαν να συμπεράνουν τον ρυθμό ψύξης. Σε αυτή την περίπτωση, φαινόταν να υπάρχει μεταφορά ενέργειας μεταξύ του νερού και των ηλεκτρονίων - μια υπογραφή της κβαντικής τριβής - ακόμη και για μια μόνο στιβάδα γραφενίου (εικόνα 4).

Αντίθετα, όταν το γραφένιο βυθιζόταν σε μεθανόλη ή αιθανόλη, ο ρυθμός ψύξης των ηλεκτρονίων ήταν πιο αργός από ότι στο κενό. Αυτά είναι πολικά υγρά αλλά δεν έχουν λειτουργίες Debye στις κατάλληλες συχνότητες και απλώς αναστέλλουν τη θερμική χαλάρωση των ηλεκτρονίων.

«Τα αρχικά μου ένστικτα ήταν λανθασμένα», παραδέχεται ο Bonn χαρούμενα, «άρα ήταν μια πολύ ευχάριστη έκπληξη όταν λειτούργησε». Όμως, ενώ λέει ότι τα αποτελέσματα είναι ποσοτικά συνεπή με τις θεωρητικές προβλέψεις, απαιτούνται περαιτέρω πειράματα για να το στερεώσουμε. Επιπλέον, μέχρι στιγμής έχουν εξετάσει μόνο επίπεδα φύλλα γραφενίου σε επαφή με χύμα νερό. «Θέλουμε πραγματικά να πάμε σε νανοπεριορισμένο νερό», λέει – μια επέκταση που έχουν ήδη ξεκινήσει.

Πέρα από ένα όνειρο

Μπορεί η κβαντική τριβή να αξιοποιηθεί σωστά; Ο Kavokine το ελπίζει και έχει επινοήσει τον όρο «κβαντική υδραυλική εγκατάσταση» για να περιγράψει τις προσπάθειες για να γίνει αυτό. «Μπορούμε να δούμε πώς η μηχανική εργασία [όπως η ροή ρευστού] μπορεί να μιλήσει απευθείας στην ηλεκτρονική κίνηση», λέει ο Bocquet. «Για παράδειγμα, αν μετακινήσετε ένα υγρό, μπορείτε να προκαλέσετε ένα ηλεκτρονικό ρεύμα».

Οι ερευνητές σκέφτονται τώρα πώς να εκμεταλλευτούν την άμεση μετατροπή της ενέργειας μεταξύ μηχανικής εργασίας και κίνησης ηλεκτρονίων - για παράδειγμα, συλλέγοντας την ενέργεια των ροών αποβλήτων για να δημιουργήσουν ηλεκτρονικά ρεύματα ή χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό έλεγχο για να αλλάξουν τους ρυθμούς ροής και έτσι να δημιουργήσουν βαλβίδες νανοκλίμακας ή γοβάκια. «Αυτό δεν είναι αδύνατο», βεβαιώνει η Bonn.

Ο Kavokine επισημαίνει ότι τα βιολογικά συστήματα – χάρη στη λεπτή δομική δυνατότητα συντονισμού των πρωτεϊνών – είναι πολύ καλά στον έλεγχο των ροών σε πολύ μικρές κλίμακες. Αν και πιστεύει ότι είναι «απίθανο» ότι κάποιος θα μπορούσε να επιτύχει αυτόν τον βαθμό δομικής συντονισμού, «[η δουλειά μας] δείχνει ότι μπορούμε να παίξουμε αντ' αυτού με τον ηλεκτρονικό συντονισμό για να επιτύχουμε παρόμοιες λειτουργίες με πολύ διαφορετική φυσική» – αυτό που ονομάζει «αντι-βιομιμητική διαδρομή «νανομηχανική ροής.

Η κατανόηση της κβαντικής τριβής θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για την κατασκευή υλικών χαμηλής τριβής, λέει ο Franzese. «Τα λιπαντικά χρησιμοποιούνται συχνά ως λύση, αλλά πολλά από αυτά δεν είναι βιώσιμα», λέει – επομένως ο σχεδιασμός ενός υλικού με εγγενώς χαμηλή τριβή θα ήταν καλύτερη επιλογή. Επιπλέον, η προσέγγιση της θεώρησης της φύσης της διεπαφής νερού-στερεού ως πρόβλημα πολλών σωμάτων «θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις σε άλλα πεδία όπως το φιλτράρισμα και ο διαχωρισμός ρευστών μιγμάτων».

Κρύο: πώς οι φυσικοί έμαθαν να χειρίζονται και να μετακινούν σωματίδια με ψύξη λέιζερ

Εν τω μεταξύ, ο Μιχαηλίδης και ο Μποκέ διερευνούν την ιδέα να χρησιμοποιήσουν τις ηλεκτρονικές διεγέρσεις ενός φύλλου γραφίτη ως ενδιάμεσο για να επιτρέψουν σε δύο ροές εκατέρωθεν του να επικοινωνήσουν, έτσι ώστε η μία να προκαλέσει την άλλη: αυτό που ονομάζουν σήραγγα ροής. Οι προσομοιώσεις τους δείχνουν ότι κατ' αρχήν θα πρέπει να είναι δυνατό.

«Οραματίζομαι πολλές σημαντικές εφαρμογές αυτής της εργασίας [για την κβαντική τριβή]», λέει ο Troian, «που κυμαίνονται από βιολογικά συστήματα μέχρι εκείνα που περιλαμβάνουν διαχωρισμό με βάση τη μεμβράνη, αφαλάτωση, μπαταρίες υγρών, νανομηχανές και άλλα».

Ανεξάρτητα από το τι παράγουν τελικά οι κβαντικοί υδραυλικοί, όπως συμπεραίνει ο Bocquet, «είναι μια πολύ ωραία παιδική χαρά».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/