Tutvuge "kvanttorulukkseppadega", kes avastavad vedeliku mehaanika saladusi nanomõõtmes – füüsikamaailm

<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="Vooluga kaasa minnes Veevoolu läbi süsinik-nanotorude saab kontrollida, kasutades nanoskaalal ilmnevaid kummalisi kvantefekte. (Viisakalt: Lucy Reading-Ikkanda/Simonsi fond)”>

Kui seisate niriseva duši all ja kurvastate oma madala veesurve pärast, annab ümbriku tagumine arvutus teile suhte vee viskoossuse, rõhu ja veetorude suuruse vahel. Kui teie torusid vähendati mõne mikroni laiuseni, peaksite teadma ka vee ja toru enda vahelist hõõrdumist, mis muutub mikroskaalal oluliseks.

Aga mis juhtuks, kui teie torud oleksid nii kitsad, et korraga mahuksid läbi vaid mõned veemolekulid? Kuigi nanomõõtmeline torustik võib tunduda nii ebapraktiline kui ka võimatu, saame seda tänu süsinik-nanotorudele tegelikult ehitada. Varsti pärast Jaapani füüsikut Sumio Iijima avastas 1991. aastal mitme seinaga süsinik-nanotorud (loodus 354 56), hakkasid teadlased mõtlema, kas neid pisikesi struktuure saaks kasutada molekulaarsete torudena vedelike imemiseks ja transportimiseks.

Süsiniknanotorudel on vett tõrjuvad seinad, mis paneb teadlased oletama, et vesi võib nendest struktuuridest peaaegu hõõrdumiseta läbi tõmbuda. Sellise tõhusa voolu korral räägiti nanotorude kasutamisest vee magestamise, vee puhastamise ja muude "nanofluidsete" tehnoloogiate jaoks.

<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="Kokku pakitud Kunstniku mulje kontsentrilistest grafeenikihtidest mitmeseinalises süsinik-nanotorus. (Visaldus: iStock/theasis)” title=”Pildi avamiseks hüpikaknas klõpsake” 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”>

Vedeliku standarddünaamika kohaselt ei tohiks hõõrdumine voolava vedeliku ja toru seina vahel muutuda, kui toru kitseneb. Katsed on aga näidanud, et kui vesi voolab läbi süsiniknanotoru, sõltub toru libedus selle läbimõõdust.

Selgub, et nanomõõtmes reguleerivad vedeliku mehaanika seadusi vee ja süsiniku vastastikmõju kvantmehaanilised aspektid.

Selgub, et nanomõõtmes reguleerivad vedeliku mehaanika seadusi vee ja süsiniku vastasmõju kvantmehaanilised aspektid ning see võib põhjustada uue nähtuse, mida nimetatakse "kvanthõõrdumiseks". Hõõrdumine on sageli häiriv, kuid see, kas see on siin probleem või võimalus, sõltub meie leidlikkusest.

Kvanthõõrdumist võib kasutada nanomõõtmeliste vooluandurite väljatöötamiseks või nanofluidika jaoks ülipisikeste ventiilide valmistamiseks. Selle üllatava kvantefekti avastamine – mis töötab isegi toatemperatuuril – on avanud mänguasjakasti nii praktilisteks nanotehnoloogia rakendusteks kui ka teoreetiliseks molekulaarfüüsikaks. "Kvanttorulukkseppade" jaoks oleme alles alguses, et teada saada, mis sees on.

Libedad torud

Lugu algab tõsiselt 2000. aastate alguses, kui läbi süsiniknanotorude voolava vee arvutisimulatsioonid (loodus 438 44 ja loodus 414 188) näitas, et veemolekulid liiguvad tõepoolest väga väikese hõõrdumisega toru seinast mööda. See loob muljetavaldavad voolukiirused, isegi kiiremini kui spetsiaalsete nanomõõtmeliste valgukanalite kaudu, mis reguleerivad veetaset looma- ja taimerakkudes.

Muud simulatsioonid, mille viis läbi Ben Corry kell Austraalia riiklik ülikool, soovitas, et kui nanotorud on vaid mõne ångströmi läbimõõduga – nii et vaid mõned veemolekulid mahuvad läbimõõdu sisse – võivad struktuurid soolad välja filtreerida (J. Phys. Chem. B 112 1427). Selle põhjuseks on asjaolu, et lahustunud soolaioone ümbritseb veemolekulide "hüdratatsioonikiht", mis peaks olema toru läbimiseks liiga suur. See leid tõstis võimaluse luua joondatud nanotorude massiividest magestamismembraane, mille madal hõõrdumine tagab suure veevoolu.

Varased katsed selliste membraanidega (teadus 312 1034) 2000. aastatel poolt Olgica Bakajingrupi juures Lawrence Livermore'i riiklik labor Californias näitas lubadust (joonis 1). Kuid ühesuuruste nanotorudega vastupidavate ja kulutõhusate membraanide valmistamise praktilisus on toonud kaasa üsna aeglase arengu.

Nanotorude veevoolu lähemalt uurimine muutis asja veelgi keerulisemaks. Aastal 2016 füüsik Lydéric Bocquet Euroopa Ecole Normale Supérieure Pariisis tegid tema kaastöötajad katseid, mis näitasid, et rõhu all läbi süsinik-nanotorude voolav vesi muutub kiiremaks, kui toru läbimõõt muutub väiksemaks kui umbes 100 nm (loodus 537 210). Teisisõnu tunduvad nanotorud seda libedam, mida väiksemaks nad muutuvad. Kuid boornitriidist valmistatud nanotorude puhul ei sõltunud voolukiirused toru läbimõõdust, mis on just selline, nagu võiks eeldada lihtsate klassikaliste mudelite puhul.

Süsinik-nanotorud on valmistatud kontsentrilistest grafeenikihtidest, mis koosnevad süsinikuaatomitest, mis on paigutatud 1D kärgvõre. Grafeenlehed on elektrit juhtivad – neis on liikuvad elektronid –, samas kui boornitriid on isoleeriv, vaatamata sellele, et sellel on ka kuusnurkne võre struktuur.

See erinevus pani Bocqueti ja kolleegid kahtlustama, et ootamatu käitumine võib olla kuidagi seotud elektronide olekutega toru seintes. Müsteeriumi lisamiseks näitasid teised katsed, et vesi voolab mööda grafeenist valmistatud nanomõõtmelisi kanaleid kiiremini alla kui grafiidist valmistatud kanaleid, mis on lihtsalt virnastatud grafeenikihid. Grafeeni kontsentrilised kihid süsinik-nanotorus annavad neile grafiiditaolise struktuuri, nii et see võib olla võtmetähtsusega, et mõista, kuidas vesi nanotorude kaudu transporditakse.

Selle ahvatleva teoreetilise mõistatuse lahendamisel võib olla oluline mõju nanotorumembraanide praktilisele kasutamisele. "Sellised vood on membraaniteaduse igasuguste protsesside keskmes, " ütleb Nikita Kavokine, füüsik Max Plancki polümeeriuuringute instituut Saksamaal Mainzis. "Me tahame, et oleks võimalik valmistada materjale, mis toimivad paremini vee läbilaskvuse ja ioonide selektiivsuse osas."

2022. aastal pakkus Bocquet välja lahenduse koos keemikuga Marie-Laure Bocquet ja Kavokine (kes oli siis ENS-is) – kvanthõõrdumise mõiste (loodus 602 84). Nad väitsid, et üle grafiidi voolavat vett saab aeglustada mingi tõmbejõud, mis tekib vee laengukõikumiste ja grafeenilehtede liikuvate elektronide lainelaadsete ergastuste koosmõjul.

Esmapilgul tundub ebatõenäoline, et väga kerged elektronid peaksid suhtlema palju raskemate aatomite ja molekulidega, arvestades, et nad liiguvad nii erineva kiirusega. "Naiivne idee on see, et elektronid liiguvad palju kiiremini kui veemolekulid," ütleb Kavokine, "nii et nad ei räägi kunagi üksteisega dünaamiliselt."

Suur erinevus elektronide ja aatomite liikumise ajakavades on lõppude lõpuks selle aluseks Born-Oppenheimeri lähendus, mis võimaldab meil arvutada aatomite ja molekulide elektroonilisi olekuid, ilma et peaksime muretsema aatomi liikumise mõju pärast. Nagu Bocquet tunnistab, kui ta ja ta kaastöötajad otsustasid esimest korda sellise suhtluse võimalust uurida, "alustasime väga ebamääraste ideedega ja mitte optimistlikult".

Kuid kui teadlased arvutusi tegid, leidsid nad, et grafiidis olevad elektronid ja vees olevad molekulid võivad üksteist tunda. Selle põhjuseks on asjaolu, et veemolekulide termilised liikumised põhjustavad lühiajalisi erinevusi tiheduses erinevates kohtades. Ja kuna veemolekulid on polaarsed – neil on elektrilaengude asümmeetriline jaotus –, tekitavad need tiheduse kõikumised vedelikus vastavad laengu kõikumised, mida nimetatakse Debye režiimideks. Grafiidis sisalduvas elektronipilves on ka lainelaadsed laengukõikumised, mis käituvad kvaasiosakestena, mida nimetatakse "plasmoniteks" (joonis 2).

Statistilise füüsiku sõnul Giancarlo Franzese Euroopa Barcelona ülikool, on kvanthõõrdumise mõistmise võti mõista, et vee omadusi tuleb käsitleda kui paljude kehade probleemi: kõikumised, mis põhjustavad Debye režiime, on kollektiivsed, mitte lihtsalt ühe molekuli omaduste summa.

Bocquet ja tema kolleegid leidsid, et nii plasmonlained grafiidis kui ka Debye režiimis vees võivad esineda sagedusega umbes mitu triljonit sekundis – terahertsi vahemikus. See tähendab, et nende kahe vahel võib tekkida resonants, nii et üks võib olla teisest erutatud, nii nagu noodi valjult laulmine võib summutada klaverikeele vibreerima, kui sellel on sama helikõrgus.

Sel viisil võib üle grafiidi pinna voolav vesi grafiidis olevatele plasmonidele hoogu üle kanda ja seeläbi aeglustada, kogedes takistust. Teisisõnu, Born-Oppenheimeri lähendus laguneb siin: efekt, mida Bocquet nimetab "suureks üllatuseks".

Oluline on see, et grafiidis olevad plasmonid, mis veega kõige tugevamalt seostuvad, on põhjustatud virnastatud grafeenilehtede vahel hüppavatest elektronidest. Seetõttu ei esine neid üksikutes grafeenilehtedes (joonis 3). Bocquet ja kolleegid arvasid, et see selgitab, miks vesi voolab aeglasemalt üle grafiidi kui üle grafeeni – sest ainult esimesel juhul on tugev kvanthõõrdumine.

Kuid kas see selgitaks, kuidas vee voolukiirus süsiniknanotorus sõltub toru läbimõõdust? Suurtes nanotorudes, mille läbimõõt on üle 100 nm ja mille seinte kõverus on suhteliselt väike, on virnastatud grafeenikihtide vaheline elektrooniliste olekute sidumine paljuski sama, mis tavalises lamedate lehtedega grafiidis, seega on vee poolt kogetav kvanthõõrdumine. vool on maksimaalse tugevusega.

Kuid kuna torud muutuvad kitsamaks ja nende seinad muutuvad tugevamaks kõveraks, nõrgeneb nende seinte kihtide vaheline elektrooniline interaktsioon ja kihid käituvad rohkem kui iseseisvad grafeenilehed. Alla umbes 100 nm läbimõõduga kvanthõõrdumine väheneb ja kui torud on kitsamad kui umbes 20 nm, siis pole seda üldse – torud on nii libedad, kui klassikalised teooriad ennustavad. Nii et üsna veidral kombel näib antud juhul süsteemis vähem "kvantiteeti", kuna see muutub väiksemaks.

Üsna veidral kombel näib sel juhul süsteemis vähem "kvantiteeti" olevat, kuna see muutub väiksemaks

"Lydéricu töö on ülipõnev," ütleb Angelos Michaelides, teoreetiline keemik aastast Cambridge'i Ülikool Ühendkuningriigis, mille vee-grafeeni liidese üksikasjalikud arvutisimulatsioonid kinnitasid, et esineb kvanthõõrdumine (Nano Lett. 23 580).

Kvanthõõrdumise üks kummalisi omadusi on see, et erinevalt klassikalisest vastasest ei tugine see kahe suhtelises liikumises oleva aine vahelisele otsesele kontaktile. Kvanthõõrdumine aeglustaks vee liikumist isegi siis, kui selle ja süsinik-nanotoru vahel oleks õhuke vaakumkiht. Sandra Troian alates California Institute of Technology Pasadenas, kes uurib liideste vedelikmehaanikat, ütleb, et see "vahemaa hõõrdumine" on seotud palju varasema ideega, mille pakkus välja 1989. aastal vene füüsik Leonid Levitov (EPL 8 499).

Elektronide jaotuse kõikumine aatomite ümber tähendab, et neutraalsed aatomid, molekulid ja materjalid võivad avaldada üksteisele nõrka elektrostaatilist jõudu, mida nimetatakse Van der Waalsi jõuks. Levitov väitis, et see võib üksteisest mööda liikuvaid objekte takistada isegi siis, kui neid eraldab vaakum. "Levitov pani kogu kontseptuaalse palli liikuma, pakkudes välja, et kaugelt mõjuvad kvantefektid võivad tekitada hõõrdejõudu ilma otsese füüsilise kontaktita," ütleb Troian.

Nanomastaabi torutööd

Teoreetiliselt kõlab see kõik hästi, kuid kas seda ideed saaks katsetada? Selleks on Kavokine teinud koostööd Mischa Bonn, ka Mainzis, ekspert spektroskoopia kasutamisel vee dünaamika uurimiseks. Alguses, tunnistab Bonn, oli ta skeptiline. "Mulle meeldis, poisid, see on tõesti lahe teooria, kuid te ei näe seda toatemperatuuril." Kuid ta nõustus proovima.

"Hõõrdumine on impulsi ülekanne," selgitab Bonn. "Aga kuidas me saame seda mõõta? Noh, ma saan mõõta energiaülekannet – see on see, mida me tavaliselt spektroskoopias teeme. Nii kirjutas Kavokine kvanthõõrdumise teooria ümber nii, et see kvantifitseeris energiaülekande, mitte impulsi ülekandmise. Seejärel asusid nad uurima, kas nad suudavad märgata sellist energiaülekannet elektronide ja vee dünaamika vahel.

Arvutused ennustasid, et kvanthõõrdumine on grafeenis nõrgem kui grafiidis, kuid Bonni meeskond mõtles välja katse grafeeniga, kuna nad olid juba uurinud selle elektronide dünaamikat. Bonn selgitab, et grafeeni monokihil on tasapinnaline plasmon, millega vee kõikumised võivad seostuda, seega peaks kvanthõõrdumine siiski esinema, kuigi see on nõrgem mõju kui grafiidil.

Teadlased kasutasid optilisi laserimpulsse, et ergutada elektrone ühes vette kastetud grafeenilehes, tõstes tegelikult järsult "elektroonilist temperatuuri", nii et see oli veega tasakaalust väljas.Looduse nanotehnoloogia. 18 898). "Seal on teatud sisemine jahutusaeg," ütleb Bonn – seda peetakse vaakumis jahutuskiiruseks. "Kuid kui toimub märkimisväärne energiaülekanne [grafeeniplasmonite ja vee Debye režiimide vahel], peaks see jahutuskiirus suurenema, kui vesi on olemas."

Ja täpselt seda nad nägid. Elektronide jahtudes suureneb nende võime neelata valgust terahertsi sagedusalas. Jälgides pärast esialgset põnevat laserimpulssi erinevatel aegadel vallandatud terahertsiimpulsside neeldumist, said Bonn ja kolleegid järeldada jahutuskiirust. Sel juhul näis, et vee ja elektronide vahel toimub energiaülekanne – kvanthõõrdumise tunnus – isegi ainult ühe grafeenikihi puhul (joonis 4).

Seevastu kui grafeen sukeldati metanooli või etanooli, oli elektronide jahutuskiirus aeglasem kui vaakumis. Need on polaarsed vedelikud, kuid neil ei ole sobivatel sagedustel Debye režiime ja need lihtsalt pärsivad elektronide termilist lõdvestumist.

"Minu algsed instinktid olid valed," tunnistab Bonn rõõmsalt, "nii et see oli väga meeldiv üllatus, kui see töötas." Kuid kuigi ta ütleb, et tulemused on kvantitatiivselt kooskõlas teoreetiliste ennustustega, on selle kinnitamiseks vaja täiendavaid katseid. Veelgi enam, nad on seni vaadanud vaid lamedaid grafeenilehti, mis puutuvad kokku puisteveega. "Me tõesti tahame minna nanopiirdega vette," ütleb ta – laiendus on juba alanud.

Väljaspool unenägu

Kas kvanthõõrdumist saab hästi ära kasutada? Kavokine loodab seda ja on võtnud kasutusele termini "kvanttorustik", et kirjeldada selle nimel tehtavaid jõupingutusi. "Näeme, kuidas mehaaniline töö [nagu vedeliku vool] võib otseselt mõjutada elektroonilist liikumist, " ütleb Bocquet. "Näiteks kui liigutate vedelikku, võite tekitada elektroonilise voolu."

Teadlased mõtlevad nüüd sellele, kuidas kasutada ära otsest energia muundamist mehaanilise töö ja elektronide liikumise vahel – näiteks kogudes jäätmevoogude energiat elektrooniliste voolude tekitamiseks või kasutades elektroonilist juhtimist voolukiiruste muutmiseks ja seeläbi nanomõõtmeliste klappide loomiseks või pumbad. "See pole võimatu," kinnitab Bonn.

Kavokine juhib tähelepanu sellele, et bioloogilised süsteemid on tänu valkude peenstruktuurilisele häälestatavusele väga head voogude kontrollimisel väga väikestes skaalates. Kuigi ta peab "ebatõenäoliseks", et keegi suudaks saavutada sellise struktuurilise häälestatavuse, "[meie töö] näitab, et selle asemel saame mängida elektroonilise häälestatavusega, et saavutada sarnaseid funktsioone väga erineva füüsikaga" - mida ta nimetab "antibiomimeetiliseks teeks". ” voolu nanoinseneriks.

Franzese ütleb, et kvanthõõrdumise mõistmine võib olla kasulik madala hõõrdumisega materjalide valmistamisel. „Lahendusena kasutatakse sageli määrdeaineid, kuid paljud neist ei ole jätkusuutlikud,“ ütleb ta – seega oleks parem lahendus kujundada oma olemuselt madala hõõrdumisega materjal. Veelgi enam, lähenemine, mis käsitleb vee ja tahke liidese olemust paljude kehade probleemina, "võib avaldada mõju muudele valdkondadele, nagu vedelikusegude filtreerimine ja eraldamine".

Külm: kuidas füüsikud õppisid osakesi laserjahutusega manipuleerima ja liigutama

Samal ajal uurivad Michaelides ja Bocquet ideed kasutada grafiidilehe elektroonilisi ergastusi vahendajana, et võimaldada kahel voolul selle mõlemal küljel suhelda, nii et üks võib indutseerida teist: mida nad nimetavad voolutunneldamiseks. Nende simulatsioonid näitavad, et see peaks põhimõtteliselt võimalik olema.

"Ma näen selle töö [kvanthõõrdumise] jaoks palju olulisi rakendusi," ütleb Troian, "alates bioloogilistest süsteemidest kuni nendeni, mis hõlmavad membraanipõhist eraldamist, magestamist, vedelaid akusid, nanomasinaid ja palju muud."

Olenemata sellest, mida kvanttorulukksepad lõpuks toodavad, nagu Bocquet kenasti järeldab, "see on väga kena mänguväljak".

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/