Spoznajte 'kvantne vodovodarje', ki odkrivajo skrivnosti mehanike tekočin na nanometru – Svet fizike

<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="Gremo s tokom Pretok vode skozi ogljikove nanocevke je mogoče nadzorovati z izkoriščanjem nenavadnih kvantnih učinkov, ki se pojavijo na nanometru. (Z dovoljenjem: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

Če stojite pod prho, ki kaplja, in objokujete svoj nizek vodni tlak, vam bo izračun na zadnji strani ovojnice dal razmerje med viskoznostjo vode, tlakom in velikostjo vaših vodovodnih cevi. Če bi bile vaše cevi pomanjšane na nekaj mikronov širine, bi morali vedeti tudi, koliko trenja je med vodo in samo cevjo, kar postane pomembno na mikroskali.

Toda kaj bi se zgodilo, če bi bile vaše cevi tako ozke, da bi se lahko skoznje prebilo le nekaj molekul vode hkrati? Čeprav se vodovodne napeljave v nanometru morda slišijo nepraktične in nemogoče, je to nekaj, kar lahko dejansko zgradimo zahvaljujoč ogljikovim nanocevkam. Kmalu zatem japonski fizik Sumio Iijima leta 1991 odkril večstenske ogljikove nanocevke (Narava 354 56), so se raziskovalci začeli spraševati, ali bi te drobne strukture lahko uporabili kot cevke na molekularnem merilu za sesanje in transport tekočin.

Ogljikove nanocevke imajo stene, ki odbijajo vodo, zaradi česar znanstveniki domnevajo, da lahko voda skozi te strukture teče skoraj brez trenja. Ob tako učinkovitem pretoku je bilo govora o uporabi nanocevk za razsoljevanje vode, čiščenje vode in druge »nanofluidne« tehnologije.

<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="Zaključen 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”>

V skladu s standardno dinamiko tekočin se trenje med tekočo tekočino in steno cevi ne bi smelo spremeniti, ko se cev oži. Vendar so poskusi pokazali, da je drsnost cevi, ko teče skozi ogljikovo nanocevko, odvisna od njenega premera.

Izkazalo se je, da na nanometrski ravni zakone mehanike tekočin urejajo kvantno-mehanski vidiki interakcij med vodo in ogljikom.

Izkazalo se je, da na nanometrski ravni zakone mehanike tekočin urejajo kvantno-mehanski vidiki interakcij med vodo in ogljikom in lahko povzročijo nov pojav, imenovan »kvantno trenje«. Trenja so pogosto nadloga, a ali gre tukaj za težavo ali priložnost, je odvisno od naše iznajdljivosti.

Kvantno trenje bi lahko izkoristili za razvoj nanometrskih senzorjev pretoka ali za izdelavo ultra majhnih ventilov za nanofluidiko. Odkritje tega presenetljivega kvantnega učinka – ki deluje celo pri sobni temperaturi – je odprlo škatlo za igrače tako za praktične nanotehnološke aplikacije kot za teoretično molekularno fiziko. Za »kvantne vodovodarje« smo šele na začetku odkrivanja, kaj je notri.

Spolzke cevi

Zgodba se resno začne v zgodnjih 2000-ih, ko so bile izvedene računalniške simulacije vode, ki teče skozi ogljikove nanocevke (Narava 438 44 in Narava 414 188) je pokazalo, da se molekule vode res premikajo z zelo majhnim trenjem mimo stene cevi. To ustvarja impresivne stopnje pretoka, celo hitrejše kot prek specializiranih proteinskih kanalov v nanometrskem merilu, ki uravnavajo nivo vode v živalskih in rastlinskih celicah.

Druge simulacije, ki jih izvaja Ben Corry pri Avstralska nacionalna univerza, je predlagal, da če nanocevke merijo le nekaj ångstromov – tako da se v premer prilega le nekaj molekul vode – bi lahko strukture filtrirale soli (J. Phys. Kemija. B 112 1427). To je zato, ker so raztopljeni ioni soli obdani s "hidratacijsko lupino" vodnih molekul, ki bi morala biti prevelika, da bi šla skozi cev. Ta ugotovitev je povečala možnost ustvarjanja membran za razsoljevanje iz nizov poravnanih nanocevk, pri čemer nizko trenje zagotavlja visoke stopnje pretoka vode.

Zgodnji poskusi na takih membranah (Znanost 312 1034) v letu 2000 avtor Olgica Bakajinskupina na Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore v Kaliforniji obetavno (slika 1). Toda praktičnost izdelave robustnih, stroškovno učinkovitih membran z nanocevkami, ki so vse enake velikosti, je vodila do precej počasnega napredka.

Podrobnejši pogled na tok vode v nanocevkah je stvari še bolj zapletel. Leta 2016 fizik Lydéric Bocquet od Ecole Normale Supérieure v Parizu in njegovi sodelavci so izvedli poskuse, ki so pokazali, da voda, ki teče pod pritiskom skozi ogljikove nanocevke, postane hitrejša, če je premer cevi manjši od približno 100 nm (Narava 537 210). Z drugimi besedami, nanocevke se zdijo bolj spolzke, čim manjše so. Toda pri nanocevkah, izdelanih iz borovega nitrida, pretoki sploh niso bili odvisni od premera cevi, kar bi pričakovali od preprostih klasičnih modelov.

Ogljikove nanocevke so narejene iz koncentričnih plasti grafena, ki je sestavljen iz ogljikovih atomov, razporejenih v 1D mrežo satja. Grafenske plošče so električno prevodne – imajo mobilne elektrone – medtem ko je borov nitrid izolator, čeprav ima tudi šestkotno mrežno strukturo.

Zaradi te razlike so Bocquet in njegovi sodelavci sumili, da je lahko nepričakovano vedenje nekako povezano z elektronskimi stanji v stenah cevi. Za dodatek skrivnosti so drugi poskusi pokazali, da voda teče hitreje po kanalih nanometrskega merila iz grafena kot po kanalih iz grafita – ki so le zložene plasti grafena. Koncentrične plasti grafena v ogljikovih nanocevkah jim dajejo grafitu podobno strukturo, zato je to lahko ključno za razumevanje, kako se voda prenaša skozi nanocevke.

Reševanje te mučne teoretične uganke bi lahko imelo pomembne posledice za praktično uporabo membran nanocevk. "Takšni tokovi so v središču vseh vrst procesov v znanosti o membranah," pravi Nikita Kavokin, fizik na Inštitut Maxa Plancka za raziskave polimerov v Mainzu v Nemčiji. "Želimo biti sposobni izdelati materiale, ki delujejo bolje v smislu vodoprepustnosti in ionske selektivnosti."

Leta 2022 je Bocquet s kemikom predlagal rešitev Marie-Laure Bocquet in Kavokine (ki je bil takrat na ENS) – pojem kvantnega trenja (Narava 602 84). Trdili so, da lahko vodo, ki teče čez grafit, upočasni nekakšen upor, ki nastane zaradi interakcije nihanj naboja v vodi z valovitim vzbujanjem v mobilnih elektronih grafenskih plošč.

Na prvi pogled se zdi malo verjetno, da bi zelo lahki elektroni sodelovali z veliko težjimi atomi in molekulami, glede na to, da se gibljejo s tako različnimi hitrostmi. "Naivna ideja je, da se elektroni premikajo veliko hitreje kot molekule vode," pravi Kavokine, "zato se nikoli ne bodo dinamično pogovarjali."

Velika razlika v časovnih okvirih med gibanjem elektronov in atomov je navsezadnje osnova za Born-Oppenheimerjev približek, ki nam omogoča izračun elektronskih stanj atomov in molekul, ne da bi morali skrbeti za učinek gibanja atomov. Kot priznava Bocquet, ko so se on in njegovi sodelavci prvič odločili raziskati možnost takšne interakcije, "smo začeli z zelo nejasnimi idejami in ne optimistično".

Toda ko so raziskovalci opravili izračune, so ugotovili, da obstaja način, da elektroni v grafitu in molekule v vodi čutijo drug drugega. To je zato, ker toplotna gibanja vodnih molekul ustvarjajo kratkotrajne razlike v gostoti od kraja do kraja. In ker so molekule vode polarne – imajo asimetrično porazdelitev električnega naboja – ta nihanja gostote povzročijo ustrezna nihanja naboja, imenovana Debyejevi načini v tekočini. Elektronski oblak v grafitu kaže tudi valovna nihanja naboja, ki se obnašajo kot kvazidelci, znani kot "plazmoni" (slika 2).

Po mnenju statističnega fizika Giancarlo Franzese od Univerza v Barceloni, je ključ do razumevanja kvantnega trenja spoznanje, da je treba lastnosti vode obravnavati kot problem več teles: nihanja, ki povzročajo Debyejeve načine, so kolektivna, ne le vsota lastnosti ene molekule.

Bocquet in sodelavci so ugotovili, da se tako plazmonski valovi v grafitnem kot Debyejevem načinu v vodi lahko pojavijo s frekvencami okoli več bilijonov na sekundo – v območju terahercev. To pomeni, da lahko pride do resonance med obema, tako da lahko enega vzbudi drugi, tako kot lahko glasno petje note povzroči vibriranje nedušene klavirske strune, če ima enako višino.

Na ta način lahko voda, ki teče čez grafitno površino, prenese zagon na plazmone v grafitu in se tako upočasni ter doživi upor. Z drugimi besedami, Born-Oppenheimerjev približek se tukaj pokvari: učinek, ki ga Bocquet imenuje "veliko presenečenje".

Bistveno je, da plazmone v grafitu, ki se najmočneje povežejo z vodo, povzročijo elektroni, ki skačejo med zloženimi listi grafena. Zato se ne pojavljajo v posameznih ploščah grafena (slika 3). Bocquet in njegovi sodelavci so ugotovili, da bi to pojasnilo, zakaj voda teče počasneje čez grafit kot čez grafen – ker samo v prvem primeru obstaja močno kvantno trenje.

Toda ali bi pojasnilo, kako je pretok vode v ogljikovi nanocevki odvisen od premera cevi? V velikih nanocevkah s premerom nad približno 100 nm, kjer imajo stene razmeroma nizko ukrivljenost, je sklopitev elektronskih stanj med zloženimi plastmi grafena skoraj enaka kot pri običajnem grafitu z ravnimi ploščami, zato je kvantno trenje, ki ga ima voda pretok ima največjo moč.

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

"Lydéricovo delo je izjemno vznemirljivo," pravi Angelos Michaelides, teoretični kemik iz University of Cambridge v Združenem kraljestvu, katerega podrobne računalniške simulacije vmesnika voda-grafen so potrdile, da prihaja do kvantnega trenja (Nano Lett. 23 580).

Ena od nenavadnih značilnosti kvantnega trenja je, da se za razliko od klasičnega dvojnika ne opira na neposredni stik med dvema snovema v relativnem gibanju. Kvantno trenje bi upočasnilo vodo, tudi če bi bila med njo in ogljikovo nanocevko tanka vakuumska plast. Sandra Trojan Iz Kalifornijski tehnološki inštitut v Pasadeni, ki preučuje mehaniko tekočin mejnih površin, pravi, da je to "trenje na daljavo" povezano z veliko zgodnejšo idejo, ki jo je leta 1989 predlagal ruski fizik Leonid Levitov (EPL 8 499).

Nihanja v porazdelitvi elektronov okoli atomov pomenijo, da lahko nevtralni atomi, molekule in materiali drug na drugega izvajajo šibko elektrostatično silo, imenovano Van der Waalsova sila. Levitov je trdil, da bi to lahko povzročilo vlečenje predmetov, ki se premikajo drug mimo drugega, tudi če sta ločena z vakuumom. "Levitov je sprožil celotno konceptualno žogo s predlogom, da lahko kvantni učinki, ki delujejo na daljavo, ustvarijo silo trenja brez neposrednega fizičnega stika," pravi Troian.

Vodovod v nanometru

V teoriji se vse sliši dobro, a bi lahko zamisel preizkusili? Za to se je Kavokine povezal z Mischa Bonn, tudi v Mainzu, strokovnjak za uporabo spektroskopije za sondiranje dinamike vode. Bonn priznava, da je bil sprva skeptičen. "Rekel sem si, fantje, to je res kul teorija, a ni možnosti, da bi je videli pri sobni temperaturi." Vendar se je strinjal, da poskusi.

»Trenje je prenos zagona,« pojasnjuje Bonn. »Toda kako lahko to izmerimo? No, lahko izmerim prenos energije – to običajno počnemo v spektroskopiji.« Tako je Kavokine prepisal teorijo za kvantno trenje, tako da je kvantificiral prenos energije, namesto prenosa gibalne količine. Nato so se odločili preveriti, ali bi lahko opazili takšen prenos energije med dinamiko elektronov in vode.

Izračuni so predvidevali, da je kvantno trenje v grafenu šibkejše kot v grafitu, vendar je Bonnova ekipa zasnovala poskus z grafenom, ker so že preučevali njegovo elektronsko dinamiko. Bonn pojasnjuje, da ima grafenski monosloj plazmon v ravnini, s katerim se lahko povežejo fluktuacije vode, zato mora biti kvantno trenje še vedno prisotno, čeprav bo učinek šibkejši kot pri grafitu.

Raziskovalci so uporabili optične laserske impulze za vzbujanje elektronov v eni sami plošči grafena, potopljene v vodo, in dejansko nenadoma dvignili "elektronsko temperaturo", tako da ni bila v ravnovesju z vodo (Narava Nanotechnol. 18 898). »Obstaja določen intrinzični čas hlajenja,« pravi Bonn – to se šteje za hitrost hlajenja v vakuumu. "Če pa pride do pomembnega prenosa energije [med grafenskimi plazmoni in Debyejevimi načini vode], bi se morala stopnja hlajenja povečati, ko je prisotna voda."

In prav to so videli. Ko se elektroni ohlajajo, se poveča njihova sposobnost absorbiranja svetlobe v frekvenčnem območju terahercev. S spremljanjem absorpcije teraherčnih impulzov, sproženih ob različnih časih po začetnem vznemirljivem laserskem impulzu, so Bonn in sodelavci lahko sklepali o hitrosti hlajenja. V tem primeru se je zdelo, da obstaja prenos energije med vodo in elektroni – znak kvantnega trenja – celo samo za eno plast grafena (slika 4).

Nasprotno, ko je bil grafen potopljen v metanol ali etanol, je bila hitrost ohlajanja elektronov počasnejša kot v vakuumu. To so polarne tekočine, vendar nimajo Debyejevih načinov na ustreznih frekvencah in zgolj zavirajo toplotno sprostitev elektronov.

"Moj začetni instinkt je bil napačen," veselo prizna Bonn, "zato je bilo zelo prijetno presenečenje, ko je delovalo." Čeprav pravi, da so rezultati kvantitativno skladni s teoretičnimi napovedmi, so potrebni nadaljnji poskusi, da bi jih potrdili. Še več, doslej so opazovali le ravne grafenske plošče v stiku z vodo. "Resnično želimo iti v nanokonfinirano vodo," pravi - razširitev so že začeli.

Onkraj pustih sanj

Ali je mogoče kvantno trenje koristno uporabiti? Kavokine tako upa in je skoval izraz "kvantna vodovodna napeljava", da bi opisal prizadevanja za to. "Vidimo lahko, kako lahko mehansko delo [kot je pretok tekočine] neposredno govori o elektronskem gibanju," pravi Bocquet. "Na primer, če premaknete tekočino, lahko inducirate elektronski tok."

Raziskovalci zdaj razmišljajo o tem, kako bi izkoristili neposredno pretvorbo energije med mehanskim delom in gibanjem elektronov – na primer z zbiranjem energije tokov odpadkov za ustvarjanje elektronskih tokov ali uporabo elektronskega nadzora za spreminjanje pretokov in tako ustvarjanje ventilov na nanometru oz. črpalke. "To ni nemogoče," potrjuje Bonn.

Kavokine poudarja, da so biološki sistemi – zahvaljujoč fini strukturni prilagodljivosti beljakovin – zelo dobri pri nadzorovanju tokov na zelo majhnih lestvicah. Čeprav meni, da je "malo verjetno", da bi lahko kdorkoli dosegel to stopnjo strukturne nastavljivosti, "[naše delo] kaže, da se lahko namesto tega poigramo z elektronsko nastavljivostjo, da dosežemo podobne funkcije z zelo različno fiziko" - kar imenuje "antibiomimetična pot". ” tok nanoinženiringa.

Razumevanje kvantnega trenja bi lahko bilo koristno za izdelavo materialov z nizkim trenjem, pravi Franzese. »Maziva se pogosto uporabljajo kot rešitev, vendar mnoga od njih niso trajnostna,« pravi – zato bi bilo oblikovanje materiala z intrinzično nizkim trenjem boljša možnost. Še več, pristop, ki obravnava naravo vmesnika voda-trdna snov kot problem več teles, "bi lahko imel posledice na drugih področjih, kot sta filtriranje in ločevanje mešanic tekočin".

Hladno: kako so se fiziki naučili manipulirati in premikati delce z laserskim hlajenjem

Medtem Michaelides in Bocquet raziskujeta zamisel o uporabi elektronskega vzbujanja plošče grafita kot posrednika, ki bi omogočil komunikacijo dveh tokov na obeh straneh, tako da bi lahko eden induciral drugega: kar imenujejo tuneliranje toka. Njihove simulacije kažejo, da bi moralo biti načeloma mogoče.

"Predvidevam veliko pomembnih aplikacij tega dela [o kvantnem trenju]," pravi Troian, "od bioloških sistemov do tistih, ki vključujejo membransko ločevanje, razsoljevanje, tekoče baterije, nanomašine in več."

Ne glede na to, kaj kvantni vodovodarji na koncu proizvedejo, kot lepo zaključi Bocquet, "je zelo lepo igrišče".

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/