Møt "kvanterørleggerne" som avdekker mysteriene til væskemekanikk 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 flyten Strømmen av vann gjennom karbon nanorør kan kontrolleres ved å utnytte de merkelige kvanteeffektene som oppstår på nanoskala. (Med tillatelse: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

Hvis du står under en sildrende dusj og beklager det lave vanntrykket ditt, vil en bakside-beregning gi deg forholdet mellom vannets viskositet, trykk og størrelsen på vannrørene dine. Hvis rørene dine ble skalert ned til noen mikrometer brede, må du også vite hvor mye friksjon det er mellom vannet og selve røret, noe som blir betydelig på mikroskalaen.

Men hva ville skje hvis rørene dine var så smale at bare noen få vannmolekyler kunne passet gjennom på en gang? Mens rørleggerarbeid i nanoskala kan høres både upraktisk og umulig ut, er det noe vi faktisk kan bygge takket være karbon nanorør. Rett etter japansk fysiker Sumio Iijima oppdaget flerveggede karbon nanorør i 1991 (Natur 354 56), begynte forskere å lure på om disse bittesmå strukturene kunne brukes som rør i molekylskala for å suge opp og transportere væsker.

Karbonnanorør har vegger som avviser vann, noe som får forskere til å anta at vann kan glide gjennom disse strukturene nesten friksjonsfritt. Med en så effektiv flyt var det snakk om å bruke nanorørene til vannavsalting, vannrensing 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="Innpakket 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”>

I henhold til standard væskedynamikk bør ikke friksjonen mellom en flytende væske og rørveggen endres ettersom røret blir smalere. Eksperimenter har imidlertid vist at når vann strømmer gjennom et karbon-nanorør, avhenger glattheten av røret av diameteren.

Det viser seg at på nanoskala er væskemekanikkens lover styrt av de kvantemekaniske aspektene ved interaksjonene mellom vann og karbon

Det viser seg at på nanoskala er væskemekanikkens lover styrt av de kvantemekaniske aspektene ved samspillet mellom vann og karbon, og kan gi opphav til et nytt fenomen kalt "kvantefriksjon". Friksjon er ofte en plage, men om det er et problem eller en mulighet her avhenger av vår oppfinnsomhet.

Kvantefriksjon kan utnyttes til å utvikle strømningssensorer i nanoskala eller for å lage ultrasmå ventiler for nanofluidikk. Oppdagelsen av denne overraskende kvanteeffekten – som til og med fungerer ved romtemperatur – har åpnet opp for en lekeboks for både praktiske nanoteknologiapplikasjoner og teoretisk molekylfysikk. For "kvanterørleggere" er vi bare i begynnelsen av å finne ut hva som er inni.

Glatte rør

Historien starter for alvor tidlig på 2000-tallet, da datasimuleringer av vann som strømmer gjennom karbon-nanorør (Natur 438 44 og Natur 414 188) viste at vannmolekyler faktisk beveger seg med svært lav friksjon forbi rørveggen. Dette skaper imponerende strømningshastigheter, enda raskere enn gjennom de spesialiserte proteinkanalene i nanoskala som regulerer vannnivået i dyre- og planteceller.

Andre simuleringer, utført av Ben Corry på Australian National University, foreslo at hvis nanorørene bare er noen få ångstrøm på tvers – slik at bare noen få vannmolekyler passer innenfor diameteren – kan strukturene filtrere ut salter (J. Phys. Chem. B 112 1427). Det er fordi oppløste saltioner er omgitt av et "hydreringsskall" av vannmolekyler, som bør være for stort til å passere gjennom røret. Dette funnet økte muligheten for å lage avsaltningsmembraner fra rekker av justerte nanorør, med lav friksjon som sikrer høye vannstrømningshastigheter.

Tidlige eksperimenter på slike membraner (Vitenskap 312 1034) på 2000-tallet av Olgica Bakajinsin gruppe på Lawrence Livermore National Laboratory i California viste lovende (figur 1). Men det praktiske med å lage robuste, kostnadseffektive membraner med nanorør som alle er like store, har ført til ganske langsom fremgang.

En nærmere titt på vannstrømmen i nanorør gjorde ting enda mer komplisert. I 2016 fysiker Lydéric Bocquet av Ecole Normale Supérieure i Paris og hans medarbeidere utførte eksperimenter som viste at vann som strømmer under trykk gjennom karbon-nanorør blir raskere ettersom rørdiameteren blir mindre enn omtrent 100 nm (Natur 537 210). Med andre ord, nanorør virker glattere jo mindre de blir. Men for nanorør laget av bornitrid var strømningshastighetene ikke avhengig av rørdiameteren i det hele tatt, noe som er akkurat som man kan forvente fra enkle klassiske modeller.

Karbon nanorør er laget av konsentriske lag av grafen, som består av karbonatomer arrangert i et 1D bikakegitter. Grafenplater er elektrisk ledende – de har mobile elektroner – mens bornitrid er isolerende, til tross for at de også har en sekskantet gitterstruktur.

Denne forskjellen fikk Bocquet og kollegene til å mistenke at den uventede oppførselen på en eller annen måte kan være knyttet til elektrontilstandene i rørveggene. For å legge til mysteriet, viste andre eksperimenter at vann renner raskere ned kanaler laget av grafen på nanoskala enn de laget av grafitt - som bare er stablede lag med grafen. De konsentriske lagene av grafen i et karbon-nanorør gir dem en grafittlignende struktur, så dette kan være nøkkelen til å forstå hvordan vann transporteres gjennom nanorørene.

Å løse dette fristende teoretiske puslespillet kan ha viktige implikasjoner for praktisk bruk av nanorørmembraner. "Slike strømmer er i sentrum av alle slags prosesser innen membranvitenskap," sier Nikita Kavokine, en fysiker ved Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz, Tyskland. "Vi ønsker å kunne lage materialer som gir bedre resultater når det gjelder vannpermeabilitet og ioneselektivitet."

I 2022 foreslo Bocquet en løsning med kjemiker Marie-Laure Bocquet og Kavokine (som da var ved ENS) – forestillingen om kvantefriksjon (Natur 602 84). De hevdet at vann som strømmer over grafitt kan bremses av en slags drag skapt av samspillet mellom ladningssvingninger i vannet med bølgelignende eksitasjoner i de mobile elektronene til grafenplatene.

Ved første øyekast virker det usannsynlig at veldig lette elektroner skal samhandle med mye tyngre atomer og molekyler, gitt at de beveger seg med så ulik hastighet. "Den naive ideen er at elektroner beveger seg mye raskere enn vannmolekyler," sier Kavokine, "så de vil aldri snakke med hverandre dynamisk."

Den store forskjellen i tidsskalaer mellom bevegelsene til elektroner og atomer er tross alt grunnlaget for Born–Oppenheimer tilnærming, som lar oss beregne de elektroniske tilstandene til atomer og molekyler uten å måtte bekymre oss for effekten av atomiske bevegelser. Som Bocquet innrømmer, da han og hans medarbeidere først bestemte seg for å utforske muligheten for en slik interaksjon, "startet vi med veldig vage ideer og ikke optimistisk".

Men da forskerne gjorde beregningene, fant de ut at det var en måte for elektronene i grafitt og molekylene i vann å føle hverandre. Det er fordi de termiske bevegelsene til vannmolekyler skaper kortvarige forskjeller i tetthet fra sted til sted. Og fordi vannmolekyler er polare – de har en asymmetrisk fordeling av elektrisk ladning – produserer disse tetthetsfluktuasjonene tilsvarende ladningssvingninger kalt Debye-moduser i væsken. Elektronskyen i grafitt viser også bølgelignende ladningssvingninger, som oppfører seg som kvasipartikler kjent som "plasmoner" (figur 2).

I følge statistisk fysiker Giancarlo Franzese av Universitetet i Barcelona, er nøkkelen til å forstå kvantefriksjon å erkjenne at egenskapene til vann må behandles som et problem med mange kropper: svingningene som forårsaker Debye-modusene er kollektive, ikke bare summen av enkeltmolekylegenskapene.

Bocquet og kolleger fant at både plasmonbølger i grafitt- og Debye-modus i vann kan forekomme med frekvenser på rundt flere billioner per sekund – i terahertz-området. Det betyr at det kan være resonans mellom de to, slik at den ene kan begeistres av den andre, akkurat som å synge en tone høyt kan få en udempet pianostreng til å vibrere hvis den har samme tonehøyde.

På denne måten kan vann som strømmer over en grafittoverflate overføre momentum til plasmonene inne i grafitten og derved bremses ned og oppleve luftmotstand. Med andre ord, Born–Oppenheimer-tilnærmingen bryter sammen her: en effekt som Bocquet kaller "en enorm overraskelse".

Det er avgjørende at plasmonene i grafitt som kobler seg sterkest til vannet er forårsaket av elektroner som hopper mellom de stablede grafenarkene. De forekommer derfor ikke i enkeltark med grafen (figur 3). Det, regnet Bocquet og kolleger, ville forklare hvorfor vannet strømmer saktere over grafitt enn over grafen - fordi bare i det førstnevnte tilfellet er det sterk kvantefriksjon.

Men vil det forklare hvordan strømningshastigheten til vann i et karbon nanorør avhenger av rørdiameteren? I store nanorør med diametre over ca. 100 nm, hvor veggene har relativt lav krumning, er koblingen av de elektroniske tilstandene mellom de stablede grafenlagene omtrent den samme som i vanlig grafitt med flate ark, så kvantefriksjonen som oppleves av vann flyten har maksimal 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 arbeid er superspennende," sier Angelos Michaelides, en teoretisk kjemiker fra University of Cambridge i Storbritannia, hvis detaljerte datasimuleringer av vann-grafen-grensesnittet bekreftet at kvantefriksjon oppstår (Nano Lett. 23 580).

En av de merkelige egenskapene til kvantefriksjon er at den, i motsetning til den klassiske motparten, ikke er avhengig av direkte kontakt mellom de to stoffene i relativ bevegelse. Kvantefriksjon ville bremse vannet selv om det var et tynt vakuumlag mellom det og karbon-nanorøret. Sandra Troian fra California Institute of Technology i Pasadena, som studerer fluidmekanikken til grensesnitt, sier at denne "friksjonen på avstand" er relatert til en mye tidligere idé foreslått i 1989 av den russiske fysikeren Leonid Levitov (EPL 8 499).

Svingninger i elektronfordelingen rundt atomer gjør at nøytrale atomer, molekyler og materialer kan utøve en svak elektrostatisk kraft på hverandre kalt Van der Waals-kraften. Levitov hevdet at dette kunne skape et drag på objektene som beveger seg forbi hverandre, selv når de er adskilt av et vakuum. "Levitov satte hele den konseptuelle ballen i bevegelse ved å foreslå at kvanteeffekter som virker på avstand kan generere en friksjonskraft uten direkte fysisk kontakt," sier Troian.

VVS på nanoskala

Alt høres bra ut i teorien, men kan ideen settes på en eksperimentell prøve? For å gjøre det har Kavokine slått seg sammen med Mischa Bonn, også i Mainz, en ekspert på å bruke spektroskopi for å undersøke dynamikken til vann. Til å begynne med, innrømmer Bonn, var han skeptisk. "Jeg tenkte, folkens, dette er en veldig kul teori, men det er ingen måte du vil se det ved romtemperatur." Men han gikk med på å prøve.

"Friksjon er momentumoverføring," forklarer Bonn. «Men hvordan kan vi måle det? Vel, jeg kan måle energioverføring – det er det vi vanligvis gjør i spektroskopi.» Så Kavokine omskrev teorien for kvantefriksjon slik at den kvantifiserte energioverføringen, i stedet for momentumoverføringen. Så la de ut for å se om de kunne oppdage slik energioverføring mellom elektron- og vanndynamikken.

Beregningene spådde at kvantefriksjon er svakere i grafen enn grafitt, men Bonns team utviklet et eksperiment med grafen fordi de allerede hadde studert elektrondynamikken. Bonn forklarer at grafenmonolaget har en plasmon i planet som vannfluktuasjonene kan kobles til, så kvantefriksjon bør fortsatt være tilstede, selv om det vil være en svakere effekt enn i grafitt.

Forskerne brukte optiske laserpulser for å begeistre elektronene i et enkelt ark med grafen nedsenket i vann, og faktisk hevet den "elektroniske temperaturen" brått slik at den var ute av likevekt med vannet (Natur Nanoteknologi. 18 898). "Det er en viss iboende kjøletid," sier Bonn - dette blir tatt for å være kjølehastigheten i et vakuum. "Men hvis det er betydelig energioverføring [mellom grafenplasmonene og Debye-modusene for vann], bør den kjølehastigheten øke når det er vann til stede."

Og det var akkurat det de så. Når elektronene avkjøles, øker deres evne til å absorbere lys i terahertz-frekvensområdet. Ved å overvåke absorpsjonen av terahertz-pulser avfyrt til forskjellige tider etter den innledende spennende laserpulsen, kunne Bonn og kolleger utlede kjølehastigheten. I dette tilfellet så det ut til å være energioverføring mellom vannet og elektronene – en signatur på kvantefriksjon – selv for bare et monolag av grafen (figur 4).

Derimot, når grafenet ble nedsenket i metanol eller etanol, var kjølehastigheten til elektronene langsommere enn i et vakuum. Dette er polare væsker, men de har ikke Debye-moduser ved de riktige frekvensene, og de hemmer bare den termiske avslapningen av elektronene.

"Mine opprinnelige instinkter var feil," innrømmer Bonn muntert, "så det var en veldig hyggelig overraskelse da det fungerte." Men mens han sier at resultatene er kvantitativt konsistente med de teoretiske spådommene, er det nødvendig med ytterligere eksperimenter for å oppnå det. Dessuten har de så langt kun sett på flate grafenplater i kontakt med bulkvann. "Vi ønsker virkelig å gå til nanobegrenset vann," sier han - en utvidelse de allerede har begynt.

Utover en rørdrøm

Kan kvantefriksjon brukes til god bruk? Kavokine håper det, og har laget begrepet "kvanterørleggerarbeid" for å beskrive innsatsen for å gjøre det. "Vi kan se hvordan mekanisk arbeid [som væskestrøm] kan snakke direkte til elektronisk bevegelse," sier Bocquet. "For eksempel, hvis du flytter en væske, kan du indusere en elektronisk strøm."

Forskerne tenker nå på hvordan man kan utnytte den direkte konverteringen av energi mellom mekanisk arbeid og elektronbevegelse – for eksempel ved å høste energien til avfallsstrømmer for å generere elektroniske strømmer, eller ved å bruke elektronisk kontroll for å endre strømningshastigheter og dermed lage nanoskalaventiler eller pumper. "Det er ikke umulig," attesterer Bonn.

Kavokine påpeker at biologiske systemer – takket være den fine strukturelle avstemmingen til proteiner – er veldig gode til å kontrollere strømninger i svært små skalaer. Selv om han tror det er "usannsynlig" at noen kan oppnå den grad av strukturell avstemming, "viser [arbeidet vårt] at vi i stedet kan leke med den elektroniske avstemmingen for å oppnå lignende funksjoner med svært forskjellig fysikk" - det han kaller en "anti-biomimetisk rute ” å flyte nanoteknikk.

Å forstå kvantefriksjon kan være nyttig for å lage materialer med lav friksjon, sier Franzese. "Smøremidler brukes ofte som en løsning, men mange av dem er ikke bærekraftige," sier han - så å designe et materiale med iboende lav friksjon ville være et bedre alternativ. Dessuten kan tilnærmingen med å betrakte naturen til grensesnittet mellom vann og fast stoff som et problem med mange kropper "ha implikasjoner på andre felt som filtrering og separering av væskeblandinger".

Kulde: hvordan fysikere lærte å manipulere og flytte partikler med laserkjøling

I mellomtiden utforsker Michaelides og Bocquet ideen om å bruke de elektroniske eksitasjonene til et ark med grafitt som et mellomledd for å la to strømmer på hver side av det kommunisere, slik at den ene kan indusere den andre: det de kaller strømningstunnelering. Simuleringene deres viser at det i prinsippet burde være mulig.

«Jeg ser for meg mange viktige anvendelser av dette arbeidet [om kvantefriksjon],» sier Troian, «alt fra biologiske systemer til de som involverer membranbasert separasjon, avsalting, væskebatterier, nanomaskiner og mer.»

Uansett hva kvanterørleggere til slutt produserer, som Bocquet pent konkluderer, "er det en veldig fin lekeplass".

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/