Faceți cunoștință cu „instalatorii cuantici” care descoperă misterele mecanicii fluidelor la scară nanometrică – 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="Mergând cu fluxul Fluxul de apă prin nanotuburi de carbon poate fi controlat prin exploatarea efectelor cuantice ciudate care apar la scară nanometrică. (Cu amabilitatea: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

Dacă stai sub un duș care se plânge de presiunea scăzută a apei, un calcul din spatele plicului îți va oferi relația dintre vâscozitatea apei, presiune și dimensiunea conductelor de apă. Dacă țevile tale au fost reduse la câțiva microni lățime, ar trebui să știi, de asemenea, cât de multă frecare există între apă și țeavă în sine, ceea ce devine semnificativ la microscara.

Dar ce s-ar întâmpla dacă țevile tale ar fi atât de înguste încât doar câteva molecule de apă ar putea trece deodată? În timp ce instalațiile sanitare la scară nanometrică ar putea suna atât nepractice, cât și imposibile, este ceva ce putem construi de fapt datorită nanotuburilor de carbon. Curând după fizician japonez Sumio Iijima a descoperit nanotuburi de carbon cu pereți multipli în 1991 (Natură 354 56), cercetătorii au început să se întrebe dacă aceste structuri minuscule ar putea fi folosite ca tuburi la scară moleculară pentru a aspira și a transporta lichide.

Nanotuburile de carbon au pereți care resping apa, ceea ce îi face pe oamenii de știință să presupună că apa ar putea trece prin aceste structuri aproape fără frecare. Cu un debit atât de eficient, s-a vorbit despre utilizarea nanotuburilor pentru desalinizarea apei, purificarea apei și alte tehnologii „nanofluidice”.

<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="Înfășurat Impresia artistică a straturilor concentrice de grafen dintr-un nanotub de carbon cu pereți multipli. (Cu amabilitatea: iStock/theasis)” title=”Faceți clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the -misterele-mecanicii-fluidelor-la-nanoscale-lumea-fizicii-1.jpg”>

Conform dinamicii fluidelor standard, frecarea dintre un lichid care curge și peretele conductei nu ar trebui să se schimbe pe măsură ce conducta se îngustează. Cu toate acestea, experimentele au arătat că, atunci când apa curge printr-un nanotub de carbon, alunecarea tubului depinde de diametrul acestuia.

Se dovedește că la scară nanometrică, legile mecanicii fluidelor sunt guvernate de aspectele mecanice cuantice ale interacțiunilor dintre apă și carbon.

Se dovedește că la scară nanometrică, legile mecanicii fluidelor sunt guvernate de aspectele mecanice cuantice ale interacțiunilor dintre apă și carbon și pot da naștere unui nou fenomen numit „frecare cuantică”. Frecarea este adesea o pacoste, dar dacă este o problemă sau o oportunitate aici depinde de ingeniozitatea noastră.

Frecarea cuantică ar putea fi exploatată pentru a dezvolta senzori de debit la scară nanometrică sau pentru a face supape ultra-minuscule pentru nanofluidică. Descoperirea acestui efect cuantic surprinzător – care funcționează chiar și la temperatura camerei – a deschis o cutie de jucării pentru aplicații practice de nanotehnologie și fizică moleculară teoretică deopotrivă. Pentru „instalatorii cuantici”, suntem abia la început să aflăm ce se află înăuntru.

Tuburi alunecoase

Povestea începe cu adevărat la începutul anilor 2000, când simulările computerizate ale apei care curge prin nanotuburi de carbon (Natură 438 44 și Natură 414 188) a arătat că moleculele de apă se deplasează într-adevăr cu frecare foarte scăzută pe lângă peretele tubului. Acest lucru creează debite impresionante, chiar mai rapide decât prin canalele specializate de proteine ​​la scară nanometrică care reglează nivelul apei în celulele animale și vegetale.

Alte simulări, realizate de Ben Corry de la Universitatea Națională Australiană, a sugerat că, dacă nanotuburile au doar câțiva ångstroms - astfel încât doar câteva molecule de apă să se potrivească în diametru - structurile ar putea filtra sărurile (J. Fiz. Chem. B 112 1427). Asta pentru că ionii de sare dizolvați sunt înconjurați de o „înveliș de hidratare” de molecule de apă, care ar trebui să fie prea mare pentru a trece prin tub. Această descoperire a ridicat posibilitatea de a crea membrane de desalinizare din rețele de nanotuburi aliniate, frecarea scăzută asigurând debite mari de apă.

Experimentele timpurii pe astfel de membrane (Ştiinţă 312 1034) în anii 2000 de către Olgica Bakajingrupul lui la Laboratorul Național Lawrence Livermore în California a arătat promițătoare (figura 1). Dar aspectele practice ale fabricării de membrane robuste și rentabile cu nanotuburi care au toate aceeași dimensiune au condus la un progres destul de lent.

O privire mai atentă asupra fluxului de apă din nanotuburi a făcut lucrurile și mai complicate. În 2016 fizician Lydéric Bocquet a Școala Normală Superioară la Paris și colegii săi au efectuat experimente care arată că apa care curge sub presiune prin nanotuburi de carbon devine mai rapidă pe măsură ce diametrul tubului devine mai mic de aproximativ 100 nm (Natură 537 210). Cu alte cuvinte, nanotuburile par mai alunecoase cu cât devin mai mici. Cu toate acestea, pentru nanotuburile fabricate din nitrură de bor, debitele nu depind deloc de diametrul tubului, ceea ce este exact așa cum ne-am aștepta de la modelele clasice simple.

Nanotuburile de carbon sunt realizate din straturi concentrice de grafen, care constă din atomi de carbon dispuși într-o rețea de tip fagure 1D. Foile de grafen sunt conductoare de electricitate - au electroni mobili - în timp ce nitrura de bor este izolatoare, în ciuda faptului că are și o structură de rețea hexagonală.

Această diferență i-a făcut pe Bocquet și colegii să suspecteze că comportamentul neașteptat ar putea fi conectat cumva la stările electronilor din pereții tubului. Pentru a completa misterul, alte experimente au arătat că apa curge mai repede pe canalele nanometrice făcute din grafen decât pe canalele din grafit – care sunt doar straturi stivuite de grafen. Straturile concentrice de grafen dintr-un nanotub de carbon le conferă o structură asemănătoare grafitului, așa că aceasta ar putea fi cheia pentru înțelegerea modului în care apa este transportată prin nanotuburi.

Rezolvarea acestui puzzle teoretic tentant ar putea avea implicații importante pentru utilizările practice ale membranelor de nanotuburi. „Astfel de fluxuri sunt în centrul a tot felul de procese în știința membranelor”, spune Nikita Kavokine, fizician la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor în Mainz, Germania. „Vrem să putem face materiale care au performanțe mai bune în ceea ce privește permeabilitatea apei și selectivitatea ionilor.”

În 2022 Bocquet a propus o soluție cu chimist Marie-Laure Bocquet și Kavokine (care era atunci la ENS) – noțiunea de frecare cuantică (Natură 602 84). Ei au susținut că apa care curge peste grafit poate fi încetinită de un fel de forță creată de interacțiunea fluctuațiilor de sarcină din apă cu excitații sub formă de undă în electronii mobili ai foilor de grafen.

La prima vedere, pare puțin probabil ca electronii foarte ușori să interacționeze cu atomi și molecule mult mai grei, având în vedere că se mișcă la viteze atât de diferite. „Ideea naivă este că electronii se mișcă mult mai repede decât moleculele de apă”, spune Kavokine, „deci nu vor vorbi niciodată între ei dinamic.”

Marea diferență în intervalele de timp dintre mișcările electronilor și atomilor este, până la urmă, baza Aproximația Born–Oppenheimer, care ne permite să calculăm stările electronice ale atomilor și moleculelor fără a ne face griji cu privire la efectul mișcărilor atomice. După cum recunoaște Bocquet, când el și colegii săi au decis pentru prima dată să exploreze posibilitatea unei astfel de interacțiuni, „am început cu idei foarte vagi și nu în mod optimist”.

Dar când cercetătorii au făcut calculele, au descoperit că există o modalitate prin care electronii din grafit și moleculele din apă să se simtă unul pe altul. Asta pentru că mișcările termice ale moleculelor de apă creează diferențe de scurtă durată de densitate de la un loc la altul. Și pentru că moleculele de apă sunt polare - au o distribuție asimetrică a sarcinii electrice - aceste fluctuații de densitate produc fluctuații de sarcină corespunzătoare numite moduri Debye în lichid. Norul de electroni din grafit prezintă, de asemenea, fluctuații de sarcină asemănătoare undelor, care se comportă ca cvasiparticule cunoscute sub numele de „plasmoni” (figura 2).

Potrivit fizicianului statistic Giancarlo Franzese a Universitatea din Barcelona, cheia înțelegerii frecării cuantice este să recunoaștem că proprietățile apei trebuie tratate ca o problemă cu mai multe corpuri: fluctuațiile care provoacă modurile Debye sunt colective, nu doar suma proprietăților unei molecule.

Bocquet și colegii săi au descoperit că atât undele de plasmon în modurile grafit, cât și cele Debye în apă pot apărea cu frecvențe de aproximativ câteva trilioane pe secundă - în intervalul teraherți. Aceasta înseamnă că poate exista o rezonanță între cele două, astfel încât unul poate fi excitat de celălalt, la fel cum cântând o notă cu voce tare poate face să vibreze o coardă de pian neamortizată dacă are aceeași înălțime.

În acest fel, apa care curge pe o suprafață de grafit poate transfera impuls plasmonilor din grafit și, prin urmare, poate fi încetinită, experimentând rezistență. Cu alte cuvinte, aproximarea Born-Oppenheimer se descompune aici: un efect pe care Bocquet îl numește „o surpriză uriașă”.

În mod esențial, plasmonii din grafit care se cuplează cel mai puternic cu apa sunt cauzați de sarurile electronilor între foile de grafen stivuite. Prin urmare, ele nu apar în foi unice de grafen (figura 3). Asta, au gândit Bocquet și colegii, ar explica de ce apa curge mai lent peste grafit decât peste grafen - pentru că numai în primul caz există o frecare cuantică puternică.

Dar ar explica cum debitul de apă într-un nanotub de carbon depinde de diametrul tubului? În nanotuburile mari cu diametre peste aproximativ 100 nm, unde pereții au o curbură relativ scăzută, cuplarea stărilor electronice între straturile de grafen stivuite este aproape aceeași ca și în grafitul normal cu foi plate, astfel încât frecarea cuantică experimentată de apă fluxul este la puterea sa maximă.

Dar pe măsură ce tuburile devin mai înguste și pereții lor devin mai puternic curbați, interacțiunile electronice dintre straturile din pereții lor devin mai slabe, iar straturile se comportă mai mult ca foile independente de grafen. Sub diametrul de aproximativ 100 nm, frecarea cuantică scade, iar dacă tuburile sunt mai înguste de aproximativ 20 nm, nu există deloc – tuburile sunt la fel de alunecoase așa cum prevăd teoriile clasice. Deci destul de bizar, în acest caz, pare să existe mai puțin „cuantum” în sistem, pe măsură ce devine mai mic.

În mod destul de bizar, în acest caz, pare să existe mai puțin „cuantum” în sistem, pe măsură ce devine mai mic

„Lucrarea lui Lydéric este super-incitantă”, spune Angelos Michaelides, un chimist teoretician din Universitatea din Cambridge în Marea Britanie, ale cărei simulări detaliate pe computer ale interfeței apă-grafen au confirmat că are loc frecarea cuantică (Nano Lett. 23 580).

Una dintre caracteristicile ciudate ale frecării cuantice este că, spre deosebire de omologul său clasic, nu se bazează pe contactul direct între cele două substanțe aflate în mișcare relativă. Frecarea cuantică ar încetini apa chiar dacă ar exista un strat subțire de vid între ea și nanotubul de carbon. Sandra Troian de la California Institute of Technology în Pasadena, care studiază mecanica fluidelor a interfețelor, spune că această „frecare la distanță” este legată de o idee mult mai timpurie propusă în 1989 de fizicianul rus Leonid Levitov (EPL 8 499).

Fluctuațiile în distribuția electronilor în jurul atomilor înseamnă că atomii neutri, moleculele și materialele pot exercita o forță electrostatică slabă unul asupra celuilalt, numită forța Van der Waals. Levitov a susținut că acest lucru ar putea crea o forță asupra obiectelor care se deplasează unul pe lângă celălalt, chiar și atunci când sunt separate de un vid. „Levitov a pus în mișcare întreaga minge conceptuală propunând că efectele cuantice care acționează la distanță pot genera o forță de frecare fără contact fizic direct”, spune Troian.

Instalarea la scară nanometrică

Totul sună bine în teorie, dar ideea ar putea fi supusă unui test experimental? Pentru a face asta, Kavokine a făcut echipă Mischa Bonn, tot în Mainz, un expert în utilizarea spectroscopiei pentru a sonda dinamica apei. La început, recunoaște Bonn, a fost sceptic. „Am fost de parcă, băieți, aceasta este o teorie foarte cool, dar nu ai cum să o vezi la temperatura camerei.” Dar a fost de acord să încerce.

„Fricația este transferul de impuls”, explică Bonn. „Dar cum putem măsura asta? Ei bine, pot măsura transferul de energie – asta facem de obicei în spectroscopie.” Așadar, Kavokine a rescris teoria frecării cuantice, astfel încât să cuantifice transferul de energie, mai degrabă decât transferul de impuls. Apoi au pornit să vadă dacă ar putea observa un astfel de transfer de energie între dinamica electronilor și a apei.

Calculele au prezis că frecarea cuantică este mai slabă în grafen decât în ​​grafit, dar echipa lui Bonn a conceput un experiment cu grafen, deoarece studiase deja dinamica electronilor acestuia. Bonn explică că monostratul de grafen are un plasmon în plan cu care se pot cupla fluctuațiile apei, așa că frecarea cuantică ar trebui să fie în continuare prezentă, deși va fi un efect mai slab decât în ​​grafit.

Cercetătorii au folosit impulsuri laser optice pentru a excita electronii dintr-o singură foaie de grafen scufundată în apă, de fapt, ridicând brusc „temperatura electronică”, astfel încât aceasta să nu fie echilibrată cu apa (Nanotehnologia naturii. 18 898). „Există un anumit timp de răcire intrinsec”, spune Bonn – aceasta este considerată viteza de răcire în vid. „Dar dacă există un transfer semnificativ de energie [între plasmonii grafen și modurile de apă Debye], atunci acea viteză de răcire ar trebui să crească atunci când există apă.”

Și exact asta au văzut. Pe măsură ce electronii se răcesc, capacitatea lor de a absorbi lumina în intervalul de frecvență terahertz crește. Prin monitorizarea absorbției impulsurilor de teraherți declanșate la momente diferite după impulsul laser inițial incitant, Bonn și colegii au putut deduce viteza de răcire. În acest caz, părea să existe un transfer de energie între apă și electroni – o semnătură a frecării cuantice – chiar și pentru un singur strat de grafen (figura 4).

În schimb, atunci când grafenul a fost scufundat în metanol sau etanol, viteza de răcire a electronilor a fost mai lentă decât în ​​vid. Acestea sunt lichide polare, dar nu au moduri Debye la frecvențele corespunzătoare și doar inhibă relaxarea termică a electronilor.

„Instinctele mele inițiale erau greșite”, recunoaște vesel Bonn, „deci a fost o surpriză foarte plăcută când a funcționat”. Dar, în timp ce el spune că rezultatele sunt în concordanță cantitativ cu predicțiile teoretice, sunt necesare experimente suplimentare pentru a le rezolva. În plus, până acum s-au uitat doar la foile plate de grafen în contact cu apa în vrac. „Ne dorim cu adevărat să mergem la apă nanoconfinată”, spune el – o extensie pe care au început-o deja.

Dincolo de un vis

Poate fi folosită frecarea cuantică? Așa speră Kavokine și a inventat termenul „sanatorie cuantică” pentru a descrie eforturile de a face acest lucru. „Putem vedea cum munca mecanică [cum ar fi fluxul de fluid] poate vorbi direct cu mișcarea electronică”, spune Bocquet. „De exemplu, dacă mutați un lichid, puteți induce un curent electronic.”

Cercetătorii se gândesc acum la cum să exploateze conversia directă a energiei între lucrul mecanic și mișcarea electronilor – de exemplu, prin colectarea energiei fluxurilor de deșeuri pentru a genera curenți electronici sau prin utilizarea controlului electronic pentru a modifica debitele și astfel creând supape la scară nanometrică sau pompe. „Nu este imposibil”, atestă Bonn.

Kavokine subliniază că sistemele biologice sunt – datorită reglabilității structurale fine a proteinelor – foarte bune la controlul fluxurilor la scară foarte mică. Deși crede că este „putin probabil” ca cineva să poată atinge acel grad de reglabilitate structurală, „[lucrarea noastră] arată că ne putem juca în schimb cu reglabilitatea electronică pentru a realiza funcții similare cu o fizică foarte diferită” – ceea ce el numește o „rută antibiomimetică”. ” să curgă nanoinginerie.

Înțelegerea frecării cuantice ar putea fi utilă pentru realizarea de materiale cu frecare scăzută, spune Franzese. „Lubrifianții sunt adesea folosiți ca soluție, dar mulți dintre ei nu sunt durabili”, spune el – așa că proiectarea unui material cu frecare intrinsec scăzută ar fi o opțiune mai bună. Mai mult, abordarea de a considera natura interfeței apă-solid ca o problemă cu mai multe corpuri „ar putea avea implicații în alte domenii, cum ar fi filtrarea și separarea amestecurilor fluide”.

Frig: cum au învățat fizicienii să manipuleze și să miște particulele cu răcire cu laser

Între timp, Michaelides și Bocquet explorează ideea de a folosi excitațiile electronice ale unei foi de grafit ca intermediar pentru a permite a două fluxuri de o parte și de alta a acesteia să comunice, astfel încât unul să-l inducă pe celălalt: ceea ce ei numesc flow tunnelling. Simulările lor arată că ar trebui să fie posibil în principiu.

„Îmi imaginez multe aplicații importante ale acestei lucrări [pe frecare cuantică]”, spune Troian, „de la sisteme biologice la cele care implică separarea pe bază de membrană, desalinizare, baterii lichide, nanomașini și multe altele”.

Indiferent de ceea ce produc instalatorii cuantici în cele din urmă, după cum concluzionează Bocquet, „este un loc de joacă foarte frumos”.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/