הכירו את 'שרברבות הקוונטים' החושפים את מסתורי מכניקת הנוזלים בקנה מידה ננו-פיזיקה 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="הולך עם הזרם ניתן לשלוט בזרימת המים דרך ננו-צינורות פחמן על ידי ניצול ההשפעות הקוונטיות המוזרות שמופיעות בקנה מידה ננו. (באדיבות: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

אם אתה עומד תחת מקלחת מטפטפת ומקונן על לחץ המים הנמוך שלך, חישוב אחורי של המעטפה ייתן לך את הקשר בין צמיגות המים, הלחץ וגודל צינורות המים שלך. אם הצינורות שלך היו מוקטנים לרוחב של כמה מיקרונים, היית צריך גם לדעת כמה חיכוך יש בין המים לצינור עצמו, שהופך משמעותי בקנה מידה מיקרו.

אבל מה היה קורה אם הצינורות שלך היו כל כך צרים שרק מולקולות מים בודדות יכלו לחדור דרכן בבת אחת? אמנם אינסטלציה בקנה מידה ננו עשוי להישמע לא מעשי ובלתי אפשרי, אבל זה משהו שאנחנו יכולים לבנות הודות לננו-צינורות פחמן. זמן קצר אחרי פיזיקאי יפני סומיו אייג'ימה גילה ננו-צינורות פחמן מרובים קירות בשנת 1991 (טבע 354 56), החלו חוקרים לתהות האם ניתן להשתמש במבנים הזעירים הללו כצינורות בקנה מידה מולקולרי לשאוב ולהובלת נוזלים.

לננו-צינוריות פחמן יש קירות הדוחים מים, מה שמוביל מדענים להניח שמים עשויים לרכוב דרך המבנים הללו כמעט ללא חיכוך. עם זרימה כה יעילה, דובר על שימוש בננו-צינורות להתפלת מים, טיהור מים וטכנולוגיות "ננופלואידיות" אחרות.

<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="עטוף 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”>

על פי דינמיקת נוזלים סטנדרטית, החיכוך בין נוזל זורם לדופן הצינור לא אמור להשתנות ככל שהצינור נהיה צר יותר. עם זאת, ניסויים הראו שכאשר מים זורמים דרך ננו-צינור פחמן, החלקות של הצינור תלויה בקוטר שלו.

מסתבר שבקנה מידה ננו, חוקי מכניקת הנוזלים נשלטים על ידי ההיבטים הקוונטים-מכניים של האינטראקציות בין מים לפחמן

מסתבר שבקנה מידה ננו, חוקי מכניקת הנוזלים נשלטים על ידי ההיבטים הקוונטים-מכניים של יחסי הגומלין בין מים לפחמן, ויכולים להוליד תופעה חדשה המכונה "חיכוך קוונטי". חיכוך הוא לעתים קרובות מטרד, אבל אם זו בעיה או הזדמנות כאן תלוי בכושר ההמצאה שלנו.

חיכוך קוונטי עשוי להיות מנוצל לפיתוח חיישני זרימה ננומטריים או לייצור שסתומים זעירים במיוחד עבור ננו-נוזלים. הגילוי של האפקט הקוונטי המפתיע הזה - שאפילו עובד בטמפרטורת החדר - פתח ארגז צעצועים ליישומים מעשיים של ננוטכנולוגיה ופיזיקה מולקולרית תיאורטית כאחד. עבור "שרברבים קוונטים", אנחנו רק בתחילת הבדיקה מה יש בפנים.

צינורות חלקלקים

הסיפור מתחיל ברצינות בתחילת שנות ה-2000, כאשר הדמיות ממוחשבות של מים הזורמים דרך ננו-צינורות פחמן (טבע 438 44 ו טבע 414 188) הראה שמולקולות מים אכן נעות בחיכוך נמוך מאוד מעבר לקיר הצינור. זה יוצר קצבי זרימה מרשימים, אפילו מהירים יותר מאשר דרך תעלות חלבון ננומטריות מיוחדות המווסתות את רמות המים בתאי החי והצומח.

סימולציות אחרות, שבוצעו על ידי בן קורי ב האוניברסיטה הלאומית האוסטרלית, הציע שאם הננו-צינורות הם רק כמה נגסטרמים לרוחב - כך שרק מולקולות מים בודדות יתאימו בקוטר - המבנים יוכלו לסנן מלחים (ג 'פיס. כימ. ב 112 1427). הסיבה לכך היא שיוני מלח מומסים מוקפים ב"מעטפת הידרציה" של מולקולות מים, שאמורות להיות גדולות מכדי לעבור דרך הצינור. ממצא זה העלה את האפשרות ליצור ממברנות התפלה ממערכים של ננו-צינורות מיושרים, כאשר החיכוך הנמוך מבטיח קצב זרימת מים גבוה.

ניסויים מוקדמים על ממברנות כאלה (מדע 312 1034) בשנות ה-2000 על ידי אולגיה בקאג'יןהקבוצה של ב- המעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה הראו הבטחות (איור 1). אבל המעשיות של ייצור ממברנות חזקות וחסכוניות עם ננו-צינוריות שכולן באותו גודל הובילו להתקדמות איטית למדי.

מבט מקרוב על זרימת המים בננו-צינורות הפך את הדברים למורכבים עוד יותר. בשנת 2016 פיזיקאי לידיריק בוקט של Ecole Normale Superieure בפריז ועמיתיו לעבודה ערכו ניסויים שהראו כי מים הזורמים בלחץ דרך ננו-צינוריות פחמן נעשים מהירים יותר ככל שקוטר הצינור קטן מ-100 ננומטר בערך (טבע 537 210). במילים אחרות, ננו-צינורות נראים מחליקים יותר ככל שהם נעשים קטנים יותר. עם זאת עבור ננו-צינורות העשויים מבור ניטריד, קצבי הזרימה לא היו תלויים בקוטר הצינורות כלל, וזה בדיוק כפי שניתן לצפות מדגמים קלאסיים פשוטים.

ננו-צינורות פחמן עשויים משכבות קונצנטריות של גרפן, המורכב מאטומי פחמן המסודרים בסריג חלת דבש 1D. יריעות גרפן מוליכות חשמלית - יש להן אלקטרונים ניידים - בעוד בורון ניטריד מבודד, למרות שיש להן גם מבנה סריג משושה.

ההבדל הזה גרם לבוקקט ועמיתיו לחשוד שההתנהגות הבלתי צפויה עשויה להיות קשורה איכשהו למצבי האלקטרונים בקירות הצינור. כדי להוסיף לתעלומה, ניסויים אחרים הראו כי מים זורמים מהר יותר במורד ערוצים ננומטריים העשויים מגרפן מאשר אלה העשויים מגרפיט - שהוא רק מוערם שכבות של גרפן. השכבות הקונצנטריות של גרפן בננו-צינורית פחמן נותנות להן מבנה דמוי גרפיט, כך שזה יכול להיות המפתח להבנת האופן שבו המים מועברים דרך הננו-צינורות.

לפתרון החידה התיאורטית המפתה הזו עשויה להיות השלכות חשובות על שימושים מעשיים של ממברנות ננו-צינוריות. "זרימות כאלה עומדות במרכז כל מיני תהליכים במדעי הממברנה", אומר ניקיטה קאבוקין, פיזיקאי ב- מכון מקס פלנק לחקר פולימרים במיינץ, גרמניה. "אנחנו רוצים להיות מסוגלים לייצר חומרים בעלי ביצועים טובים יותר מבחינת חדירות מים וסלקטיביות יונים."

בשנת 2022 בוקט הציע פתרון עם כימאי מארי-לור בוקט ו-Kavokine (שהיה אז ב-ENS) - הרעיון של חיכוך קוונטי (טבע 602 84). הם טענו שניתן להאט את המים הזורמים על גרפיט על ידי סוג של גרר שנוצר על ידי האינטראקציה של תנודות המטען במים עם עירורים דמויי גל באלקטרונים הניידים של יריעות הגרפן.

במבט ראשון, זה לא סביר שאלקטרונים קלים מאוד צריכים לקיים אינטראקציה עם אטומים ומולקולות הרבה יותר כבדות, בהתחשב בכך שהם נעים במהירויות שונות כל כך. "הרעיון הנאיבי הוא שאלקטרונים נעים הרבה יותר מהר ממולקולות מים", אומר קאבוקין, "אז הם לעולם לא ידברו זה עם זה בצורה דינמית".

ההבדל הגדול בלוחות הזמנים בין תנועות האלקטרונים והאטומים הוא בסופו של דבר הבסיס של קירוב בורן-אופנהיימר, המאפשר לנו לחשב את המצבים האלקטרוניים של אטומים ומולקולות מבלי שנצטרך לדאוג להשפעה של תנועות אטומיות. כפי שבוקט מודה, כאשר הוא ועמיתיו לעבודה החליטו לראשונה לבחון את האפשרות של אינטראקציה כזו, "התחלנו עם רעיונות מאוד מעורפלים ולא באופטימיות".

אבל כשהחוקרים ערכו את החישובים, הם גילו שיש דרך לאלקטרונים בגרפיט ולמולקולות במים להרגיש אחד את השני. הסיבה לכך היא שהתנועות התרמיות של מולקולות המים יוצרות הבדלים קצרי מועד בצפיפות ממקום למקום. ומכיוון שמולקולות מים הן קוטביות - יש להן חלוקה אסימטרית של מטען חשמלי - תנודות הצפיפות הללו מייצרות תנודות מטען מקבילות הנקראות מצבי Debye בתוך הנוזל. ענן האלקטרונים בגרפיט מציג גם תנודות מטען דמויי גל, שמתנהגים כמו חלקיקים המכונה "פלסמונים" (איור 2).

לפי פיסיקאי סטטיסטי ג'יאנקרלו פרנזה של אוניברסיטת ברצלונה, המפתח להבנת החיכוך הקוונטי הוא להכיר בכך שיש להתייחס לתכונות המים כבעיה של הרבה גופים: התנודות שגורמות למצבי Debye הן קולקטיביות, לא רק סכום התכונות של מולקולה אחת.

Bocquet ועמיתיו גילו כי גם גלי פלסמון במצבי גרפיט וגם Debye במים עשויים להופיע בתדרים של בסביבות כמה טריליונים לשנייה - בטווח הטרה-הרץ. משמעות הדבר היא שיכולה להיות תהודה בין השניים, כך שאחד יכול להתרגש מהשני, בדיוק כפי ששירת תו בקול רם יכולה להגדיר מיתר פסנתר לא משומם לרטוט אם יש לו אותו גובה.

בדרך זו, מים הזורמים על פני משטח גרפיט יכולים להעביר מומנטום לפלסמונים בתוך הגרפיט ובכך להיות מואטים, לחוות גרר. במילים אחרות, הקירוב של בורן-אופנהיימר מתקלקל כאן: אפקט שבוקט מכנה "הפתעה ענקית".

באופן מכריע, הפלסמונים בגרפיט שמתחברים בצורה החזקה ביותר למים נגרמים על ידי אלקטרונים שקופצים בין יריעות הגרפן המוערמות. לכן הם אינם מופיעים בגליונות בודדים של גרפן (איור 3). זה, חשבו בוק ועמיתיו, יסביר מדוע מים זורמים לאט יותר על גרפיט מאשר על גרפן - כי רק במקרה הקודם יש חיכוך קוונטי חזק.

אבל האם זה יסביר כיצד קצב זרימת המים בננו-צינורית פחמן תלוי בקוטר הצינור? בננו-צינורות גדולים בקטרים ​​מעל כ-100 ננומטר, שבהם לקירות יש עקמומיות נמוכה יחסית, הצימוד של המצבים האלקטרוניים בין שכבות הגרפן המוערמות זהה במידה רבה לזה שהוא בגרפיט רגיל עם יריעות שטוחות, ולכן החיכוך הקוונטי שחווים מים הזרימה היא בעוצמתה המקסימלית.

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

"העבודה של Lydéric היא סופר מרגשת", אומר אנג'לוס מיכאלידס, כימאי תיאורטי מה אוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה, שהדמיות מחשב מפורטות של ממשק מים-גרפן אישרו שמתרחש חיכוך קוונטי (ננו לט. 23 580).

אחד המאפיינים המוזרים של החיכוך הקוונטי הוא שבניגוד למקבילו הקלאסי, הוא אינו מסתמך על מגע ישיר בין שני החומרים בתנועה יחסית. חיכוך קוונטי היה מאט את המים גם אם הייתה שכבת ואקום דקה בינה לבין ננו-צינור הפחמן. סנדרה טרויאן מ מכון טכנולוגי של קליפורניה בפסדינה, החוקר את מכניקת הנוזלים של ממשקים, אומר ש"חיכוך מרחוק" זה קשור לרעיון מוקדם בהרבה שהוצע ב-1989 על ידי הפיזיקאי הרוסי ליאוניד לויטוב (EPL 8 499).

תנודות בהתפלגות האלקטרונים סביב אטומים פירושה שאטומים, מולקולות וחומרים ניטרליים יכולים להפעיל כוח אלקטרוסטטי חלש זה על זה הנקרא כוח ואן דר ואלס. לויטוב טען שהדבר עלול ליצור גרירה על האובייקטים הנעים זה על פני זה, גם כשהם מופרדים בוואקום. "לויטוב הניע את כל הכדור הרעיוני בכך שהציע שהשפעות קוונטיות הפועלות ממרחק יכולות ליצור כוח חיכוך ללא מגע פיזי ישיר", אומר טרויאן.

אינסטלציה בקנה מידה ננו

הכל נשמע טוב בתיאוריה, אבל האם אפשר להעמיד את הרעיון למבחן ניסיוני? כדי לעשות זאת, Kavokine חבר אליו מישה בון, גם במיינץ, מומחה לשימוש בספקטרוסקופיה כדי לחקור את הדינמיקה של מים. בהתחלה, מודה בון, הוא היה סקפטי. "חשבתי, חבר'ה, זו תיאוריה ממש מגניבה, אבל אין סיכוי שתראו אותה בטמפרטורת החדר." אבל הוא הסכים לנסות.

"חיכוך הוא העברת מומנטום", מסביר בון. "אבל איך אנחנו יכולים למדוד את זה? ובכן, אני יכול למדוד העברת אנרגיה - זה מה שאנחנו עושים בדרך כלל בספקטרוסקופיה." אז Kavokine כתב מחדש את התיאוריה לחיכוך קוונטי כך שכמת את העברת האנרגיה, ולא את העברת המומנטום. אחר כך הם יצאו לבדוק אם הם יכולים לזהות העברת אנרגיה כזו בין הדינמיקה של האלקטרון והמים.

החישובים חזו שחיכוך קוונטי חלש יותר בגרפן מאשר בגרפיט, אבל הצוות של בון הגה ניסוי עם גרפן מכיוון שהם כבר חקרו את דינמיקת האלקטרונים שלו. בון מסביר שלמונו-שכבת הגרפן יש פלסמון במישור שתנודות המים יכולות להתחבר אליו, כך שחיכוך קוונטי עדיין צריך להיות קיים, אם כי זה יהיה אפקט חלש יותר מאשר בגרפיט.

החוקרים השתמשו בפולסי לייזר אופטיים כדי לעורר את האלקטרונים ביריעת גרפן אחת שקועה במים, ולמעשה העלתה בפתאומיות את "הטמפרטורה האלקטרונית" כך שהיא יצאה משיווי משקל עם המים (Nature Nanotechnol. 18 898). "יש זמן קירור פנימי מסוים", אומר בון - זה נחשב לקצב הקירור בוואקום. "אבל אם יש העברת אנרגיה משמעותית [בין פלסמוני הגרפן ואופני המים של דבי] אז קצב הקירור הזה אמור לעלות כשיש מים".

וזה בדיוק מה שהם ראו. ככל שהאלקטרונים מתקררים, גדלה יכולתם לקלוט אור בתחום תדר הטרה-הרץ. על ידי ניטור קליטת פולסי טרה-הרץ שנורו בזמנים שונים לאחר דופק הלייזר המרגש הראשוני, בון ועמיתיו יכלו להסיק את קצב הקירור. במקרה זה, נראה שיש העברת אנרגיה בין המים לאלקטרונים - חתימה של חיכוך קוונטי - אפילו עבור רק מונו-שכבה של גרפן (איור 4).

לעומת זאת, כאשר הגרפן היה שקוע במתנול או באתנול, קצב הקירור של האלקטרונים היה איטי יותר מאשר בוואקום. אלו הם נוזלים קוטביים אבל אין להם מצבי דבי בתדרים המתאימים, והם רק מעכבים את ההרפיה התרמית של האלקטרונים.

"האינסטינקטים הראשוניים שלי היו שגויים", מודה בון בעליזות, "אז זו הייתה הפתעה נעימה מאוד כשזה עבד". אבל בעוד שהוא אומר שהתוצאות תואמות מבחינה כמותית עם התחזיות התיאורטיות, יש צורך בניסויים נוספים כדי להוכיח זאת. יתרה מכך, הם הסתכלו עד כה רק על יריעות גרפן שטוחות במגע עם מים בתפזורת. "אנחנו מאוד רוצים ללכת למים מוגבלים בננו", הוא אומר - הרחבה שהם כבר התחילו.

מעבר לחלום מקטרת

האם ניתן לנצל היטב חיכוך קוונטי? Kavokine מקווה שכן, וטבע את המונח "אינסטלציה קוונטית" כדי לתאר מאמצים לעשות זאת. "אנו יכולים לראות כיצד עבודה מכנית [כמו זרימת נוזלים] יכולה לדבר ישירות לתנועה אלקטרונית", אומר בוק. "לדוגמה, אם אתה מזיז נוזל, אתה יכול לגרום לזרם אלקטרוני."

החוקרים חושבים כעת כיצד לנצל את ההמרה הישירה של אנרגיה בין עבודה מכנית לתנועת אלקטרונים - למשל, על ידי קצירת האנרגיה של זרמי פסולת ליצירת זרמים אלקטרוניים, או שימוש בבקרה אלקטרונית כדי לשנות את קצבי הזרימה ובכך ליצור שסתומים ננומטריים או משאבות. "זה לא בלתי אפשרי", מעיד בון.

Kavokine מציין שמערכות ביולוגיות - הודות לכוונון המבני העדין של חלבונים - טובות מאוד בשליטה בזרימות בקנה מידה קטן מאוד. למרות שהוא חושב שזה "לא סביר" שמישהו יוכל להגיע לדרגה כזו של כוונון מבנית, "[העבודה שלנו] מראה שאנחנו יכולים לשחק במקום זאת עם הכוונון האלקטרוני כדי להשיג פונקציות דומות עם פיזיקה שונה מאוד" - מה שהוא מכנה "מסלול אנטי-ביומימטי "להזרים ננו-הנדסה.

הבנת החיכוך הקוונטי יכולה להיות שימושית לייצור חומרים בעלי חיכוך נמוך, אומר פרנזה. "חומרי סיכה משמשים לעתים קרובות כפתרון, אבל רבים מהם אינם ברי קיימא", הוא אומר - כך שעיצוב חומר בעל חיכוך נמוך באופן מהותי יהיה אופציה טובה יותר. יתרה מכך, לגישה של התייחסות לאופי של ממשק מים-מוצק כבעיה של הרבה גוף "יכולות להיות השלכות בתחומים אחרים כמו סינון והפרדה של תערובות נוזלים".

קור: כיצד למדו פיזיקאים לתמרן ולהזיז חלקיקים באמצעות קירור לייזר

בינתיים, מיכאלידס ובוקט בוחנים את הרעיון של שימוש בעירות אלקטרוניות של יריעת גרפיט כמתווך כדי לאפשר לשני זרמים משני צדיו לתקשר, כך שאחד עלול לגרום לשני: מה שהם מכנים מנהור זרימה. ההדמיות שלהם מראות שזה צריך להיות אפשרי באופן עקרוני.

"אני רואה בעיני רוחי יישומים חשובים רבים של העבודה הזו [על חיכוך קוונטי]", אומר טרויאן, "החל ממערכות ביולוגיות ועד לאלו הכוללות הפרדה מבוססת ממברנה, התפלה, סוללות נוזליות, ננו-מכונות ועוד."

ללא קשר למה שרברבים קוונטיים מייצרים בסופו של דבר, כפי שבוקט מסכם בקפידה, "זה מגרש משחקים נחמד מאוד".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/