Зустрічайте «квантових сантехніків», які розкривають таємниці механіки рідини на нанорозмірі – 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="Йдучи потоком Потік води через вуглецеві нанотрубки можна контролювати, використовуючи дивні квантові ефекти, які виникають на нанорозмірі. (З дозволу: Люсі Редінг-Ікканда/Фонд Саймонса)”>

Якщо ви стоїте під проливним душем і нарікаєте на низький тиск води, розрахунок із зворотного боку дасть вам співвідношення між в’язкістю води, тиском і розміром ваших водопровідних труб. Якби ваші труби були зменшені до кількох мікрон завширшки, вам також потрібно було б знати, яке тертя існує між водою та самою трубою, яке стає значним на мікромасштабі.

Але що сталося б, якби ваші труби були настільки вузькими, що лише кілька молекул води могли б пройти через них одночасно? Хоча нанорозмірна сантехніка може здатися непрактичною та неможливою, це те, що ми насправді можемо створити завдяки вуглецевим нанотрубкам. Незабаром японський фіз Суміо Іідзіма відкрив багатошарові вуглецеві нанотрубки в 1991 році (природа 354 56), дослідники почали задаватися питанням, чи можна використовувати ці крихітні структури як трубки молекулярного масштабу для всмоктування та транспортування рідин.

Вуглецеві нанотрубки мають стінки, які відштовхують воду, що спонукає вчених припустити, що вода може проходити крізь ці структури майже без тертя. З таким ефективним потоком говорили про використання нанотрубок для опріснення води, очищення води та інших «нанофлюїдних» технологій.

<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="Загорнутий Враження художника від концентричних шарів графену в багатошаровій вуглецевій нанотрубці. (З дозволу: iStock/theasis)” title=”Натисніть, щоб відкрити зображення у спливаючому вікні” 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”>

Відповідно до стандартної динаміки рідини, тертя між рідиною, що тече, і стінкою труби не повинно змінюватися, коли труба стає вужчою. Проте експерименти показали, що коли вода тече через вуглецеву нанотрубку, слизькість трубки залежить від її діаметра.

Виявляється, що на нанорозмірі закони механіки рідини регулюються квантово-механічними аспектами взаємодії між водою та вуглецем

Виявляється, що на нанорозмірі закони механіки рідини керуються квантово-механічними аспектами взаємодії між водою та вуглецем і можуть породжувати нове явище, яке отримало назву «квантове тертя». Тертя часто є неприємністю, але чи буде це проблемою чи можливістю, залежить від нашої винахідливості.

Квантове тертя можна використати для розробки нанорозмірних датчиків потоку або виготовлення ультрамаленьких клапанів для нанофлюїд. Відкриття цього дивовижного квантового ефекту, який працює навіть при кімнатній температурі, відкрило ящик для іграшок як для практичних застосувань нанотехнологій, так і для теоретичної молекулярної фізики. Для «квантових сантехніків» ми тільки починаємо з’ясовувати, що всередині.

Слизькі труби

Історія починається всерйоз на початку 2000-х років, коли комп’ютерне моделювання води, що тече через вуглецеві нанотрубки (природа 438 44 та природа 414 188) показав, що молекули води дійсно рухаються з дуже низьким тертям повз стінку труби. Це створює вражаючі швидкості потоку, навіть швидше, ніж через спеціалізовані нанорозмірні білкові канали, які регулюють рівень води в клітинах тварин і рослин.

Інше моделювання, виконане Бен Коррі в Австралійський національний університет, припустив, що якщо нанотрубки мають діаметр лише кілька ангстрем – так що лише кілька молекул води поміщаються в діаметрі – структури можуть фільтрувати солі (J. Phys. хім. Б 112 1427). Це тому, що розчинені іони солі оточені «гідратаційною оболонкою» з молекул води, яка має бути занадто великою, щоб пройти через трубку. Це відкриття підняло можливість створення опріснювальних мембран із масивів вирівняних нанотрубок із низьким тертям, що забезпечує високу швидкість потоку води.

Ранні експерименти з такими мембранами (наука 312 1034) у 2000-х роках Ольгика Бакажингрупа в Національна лабораторія Лоуренса Лівермора в Каліфорнії виявилося перспективним (рис. 1). Але практичність виготовлення надійних, економічно ефективних мембран з нанотрубками однакового розміру призвела до досить повільного прогресу.

Пильніший погляд на потік води в нанотрубках ще більше ускладнив ситуацію. У 2016 році фіз Лідерік Боке в Ecole Normale Supérieure в Парижі та його співробітники провели експерименти, які показали, що вода, яка тече під тиском через вуглецеві нанотрубки, стає швидше, якщо діаметр трубки стає меншим, ніж приблизно 100 нм (природа 537 210). Іншими словами, нанотрубки здаються більш ковзкими, чим меншими вони стають. Проте для нанотрубок, виготовлених з нітриду бору, швидкість потоку взагалі не залежала від діаметра трубки, чого можна було очікувати від простих класичних моделей.

Вуглецеві нанотрубки виготовлені з концентричних шарів графену, який складається з атомів вуглецю, розташованих у вигляді одновимірної стільникової решітки. Листи графену є електропровідними – вони мають рухливі електрони – тоді як нітрид бору є ізоляційним, незважаючи на те, що також має структуру гексагональної решітки.

Ця різниця змусила Боке та його колег запідозрити, що несподівана поведінка може бути якимось чином пов’язана зі станами електронів у стінках трубки. Щоб додати таємницю, інші експерименти показали, що вода тече швидше вниз по нанорозмірним каналам, зробленим з графену, ніж по каналах, виготовлених з графіту, який є просто складеними шарами графену. Концентричні шари графену в вуглецевих нанотрубках надають їм структуру, схожу на графіт, тому це може бути ключовим для розуміння того, як вода транспортується через нанотрубки.

Вирішення цієї привабливої ​​теоретичної головоломки може мати важливі наслідки для практичного використання нанотрубок. «Такі потоки знаходяться в центрі всіх видів процесів у науці про мембрани», — каже Микита Кавокін, фізик в Інститут дослідження полімерів Макса Планка в Майнці, Німеччина. «Ми хочемо мати можливість створювати матеріали, які мають кращі показники водопроникності та іонної селективності».

У 2022 році Бокке запропонував рішення разом з хіміком Марі-Лор Боке і Кавокін (який тоді працював у ENS) – поняття квантового тертя (природа 602 84). Вони стверджували, що вода, що тече над графітом, може сповільнюватися за допомогою свого роду опору, створеного взаємодією коливань заряду у воді з хвилеподібними збудженнями в рухомих електронах графенових листів.

На перший погляд здається малоймовірним, що дуже легкі електрони повинні взаємодіяти з набагато важчими атомами та молекулами, враховуючи, що вони рухаються з такими різними швидкостями. «Наївна ідея полягає в тому, що електрони рухаються набагато швидше, ніж молекули води, — говорить Кавокін, — тому вони ніколи не спілкуватимуться один з одним динамічно».

Велика різниця в часових масштабах між рухами електронів і атомів, зрештою, є основою Наближення Борна–Опенгеймера, що дозволяє обчислювати електронні стани атомів і молекул, не турбуючись про вплив атомних рухів. Як зізнається Бокке, коли він і його колеги вперше вирішили вивчити можливість такої взаємодії, «ми почали з дуже туманних ідей і не оптимістично».

Але коли дослідники провели обчислення, вони виявили, що електрони в графіті та молекули у воді можуть відчувати один одного. Це тому, що теплові рухи молекул води створюють короткочасні відмінності в щільності від місця до місця. І оскільки молекули води є полярними – вони мають асиметричний розподіл електричного заряду – ці коливання густини викликають відповідні флуктуації заряду, які називаються модами Дебая в рідині. Електронна хмара в графіті також демонструє хвилеподібні флуктуації заряду, які поводяться як квазічастинки, відомі як «плазмони» (рис. 2).

За словами фізика-статистика Джанкарло Францезе в Університет Барселони, ключ до розуміння квантового тертя полягає у визнанні того, що властивості води слід розглядати як проблему багатьох тіл: флуктуації, які викликають моди Дебая, є колективними, а не просто сумою властивостей однієї молекули.

Боке та його колеги виявили, що як плазмонні хвилі в графіті, так і дебаївські моди у воді можуть виникати з частотами близько кількох трильйонів на секунду – у діапазоні терагерців. Це означає, що між ними може виникнути резонанс, так що один може збуджуватися іншим, так само як голосний спів ноти може призвести до вібрації незатухаючої струни піаніно, якщо вона має однакову висоту.

Таким чином, вода, що тече поверх графітової поверхні, може передавати імпульс плазмонам усередині графіту і таким чином сповільнюватись, відчуваючи опор. Іншими словами, наближення Борна-Опенгеймера тут руйнується: ефект, який Боке називає «великим сюрпризом».

Найважливіше те, що плазмони в графіті, які найсильніше з’єднуються з водою, викликані стрибками електронів між листами графену. Тому вони не зустрічаються в окремих листах графену (рис. 3). Це, на думку Бокке та його колег, пояснює, чому вода тече повільніше над графітом, ніж над графеном, тому що тільки в першому випадку існує сильне квантове тертя.

Але чи пояснить це, як швидкість потоку води у вуглецевій нанотрубці залежить від діаметра трубки? У великих нанотрубках з діаметром понад 100 нм, де стінки мають відносно низьку кривизну, зв’язок електронних станів між складеними шарами графену майже такий же, як і в звичайному графіті з плоскими листами, тому квантове тертя, яке відчуває вода потік досягає максимальної сили.

Але оскільки трубки стають вужчими, а їх стінки стають сильніше вигнутими, електронні взаємодії між шарами в їхніх стінках стають слабшими, і шари поводяться більше як незалежні листи графену. Діаметром нижче приблизно 100 нм квантове тертя зменшується, а якщо трубки вужчі, ніж приблизно 20 нм, його взагалі немає – трубки такі ж слизькі, як і передбачають класичні теорії. Як не дивно, але в цьому випадку в системі стає менше «квантовості», оскільки вона стає меншою.

Досить дивно, але в цьому випадку здається, що в системі стає менше «квантовості», оскільки вона стає меншою

«Робота Лідеріка надзвичайно захоплююча», — каже Ангелос Міхаелідес, хімік-теоретик з Кембриджський університет у Великобританії, чиє детальне комп’ютерне моделювання інтерфейсу вода–графен підтвердило наявність квантового тертя (Nano Lett. 23 580).

Однією з дивних характеристик квантового тертя є те, що, на відміну від його класичного аналога, воно не залежить від прямого контакту між двома речовинами, що рухаються відносно. Квантове тертя уповільнило б воду, навіть якби між нею та вуглецевою нанотрубкою був тонкий шар вакууму. Сандра Троян від Каліфорнійський технологічний інститут в Пасадені, який вивчає механіку рідини поверхонь розділу, каже, що це «тертя на відстані» пов’язане з набагато більш ранньою ідеєю, запропонованою в 1989 році російським фізиком Леонідом Левітовим (EPL 8 499).

Флуктуації в розподілі електронів навколо атомів означають, що нейтральні атоми, молекули та матеріали можуть чинити слабку електростатичну силу один на одного, яка називається силою Ван-дер-Ваальса. Левітов стверджував, що це може створити опору для об’єктів, що рухаються повз один одного, навіть якщо вони розділені вакуумом. «Левітов запустив усю концепцію, припустивши, що квантові ефекти, що діють на відстані, можуть генерувати силу тертя без прямого фізичного контакту», — каже Троян.

Сантехніка нанорозміру

Теоретично все звучить добре, але чи можна експериментально перевірити цю ідею? Для цього Kavokine об’єднався з Міша Бонн, також у Майнці, експерт із використання спектроскопії для дослідження динаміки води. Бонн зізнається, що спочатку був налаштований скептично. «Я думав, хлопці, що це дійсно класна теорія, але ви не побачите її при кімнатній температурі». Але він погодився спробувати.

«Тертя — це передача імпульсу», — пояснює Бонн. «Але як ми можемо це виміряти? Ну, я можу виміряти передачу енергії – це те, що ми зазвичай робимо в спектроскопії». Тож Кавокін переписав теорію квантового тертя так, щоб вона кількісно визначила передачу енергії, а не передачу імпульсу. Потім вони вирішили перевірити, чи зможуть вони помітити такий перехід енергії між електроном і динамікою води.

Розрахунки передбачили, що квантове тертя слабше в графені, ніж у графіті, але команда Бонна розробила експеримент із графеном, оскільки вони вже вивчили його електронну динаміку. Бонн пояснює, що графеновий моношар має плазмон у площині, з яким можуть зв’язуватися флуктуації води, тому квантове тертя все ще повинно бути присутнім, хоча це буде слабшим ефектом, ніж у графіті.

Дослідники використовували оптичні лазерні імпульси для збудження електронів в одному листі графену, зануреному у воду, фактично різко підвищуючи «електронну температуру», щоб вона вийшла з рівноваги з водою (Природні нанотехнології. 18 898). «Існує певний власний час охолодження», — каже Бонн, — це швидкість охолодження у вакуумі. «Але якщо існує значна передача енергії [між графеновими плазмонами та дебаївськими модами води], то швидкість охолодження має збільшуватися, коли є вода».

І саме це вони побачили. Коли електрони охолоджуються, їх здатність поглинати світло в терагерцевому діапазоні частот зростає. Відслідковуючи поглинання терагерцових імпульсів, що генеруються в різний час після початкового збуджуючого лазерного імпульсу, Бонн і його колеги змогли зробити висновок про швидкість охолодження. У цьому випадку, здавалося, відбувається передача енергії між водою та електронами – ознака квантового тертя – навіть для простого моношару графену (рис. 4).

Навпаки, коли графен був занурений у метанол або етанол, швидкість охолодження електронів була повільнішою, ніж у вакуумі. Це полярні рідини, але вони не мають дебаївських мод на відповідних частотах, і вони просто гальмують теплову релаксацію електронів.

«Мій початковий інстинкт був хибним, — весело визнає Бонн, — тож це було дуже приємно здивовано, коли це спрацювало». Але хоча він каже, що результати кількісно відповідають теоретичним прогнозам, необхідні подальші експерименти, щоб підтвердити це. Більше того, досі вони розглядали лише плоскі листи графену, які контактували з водою. «Ми дійсно хочемо перейти до нанообмеженої води», — каже він, — розширення, яке вони вже почали.

За межами нездійсненної мрії

Чи можна використати квантове тертя з користю? Кавокін сподівається на це, і ввів термін «квантова сантехніка», щоб описати спроби зробити це. «Ми бачимо, як механічна робота [наприклад, потік рідини] може безпосередньо взаємодіяти з електронним рухом», — каже Бокке. «Наприклад, якщо ви рухаєте рідину, ви можете індукувати електронний струм».

Зараз дослідники думають про те, як використовувати пряме перетворення енергії між механічною роботою та рухом електронів, наприклад, збираючи енергію потоків відходів для генерування електронних струмів або використовуючи електронне керування для зміни швидкості потоку та створюючи таким чином нанорозмірні клапани чи насоси. «Це не неможливо», — підтверджує Бонн.

Кавокін зазначає, що біологічні системи – завдяки тонкій структурній настроюваності білків – дуже добре контролюють потоки в дуже малих масштабах. Хоча він вважає «малоймовірним», що хтось зможе досягти такого рівня структурної настроюваності, «[наша робота] показує, що замість цього ми можемо пограти з електронною настроюваністю для досягнення подібних функцій з дуже різною фізикою» — те, що він називає «антибіоміметичним шляхом». ” до потоку наноінженерії.

Розуміння квантового тертя може бути корисним для виготовлення матеріалів із низьким коефіцієнтом тертя, каже Франзезе. «Мастила часто використовуються як рішення, але багато з них не є стійкими», — каже він, тому розробка матеріалу з низьким коефіцієнтом тертя була б кращим варіантом. Більше того, підхід до розгляду природи поверхні розділу вода–тверде тіло як проблеми багатьох тіл «може мати наслідки в інших областях, таких як фільтрація та розділення рідинних сумішей».

Холод: як фізики навчилися маніпулювати та переміщувати частинки за допомогою лазерного охолодження

Тим часом Міхаелідес і Бокке досліджують ідею використання електронних збуджень листа графіту як посередника, щоб дозволити двом потокам по обидва боки від нього спілкуватися, щоб один міг викликати інший: те, що вони називають тунелюванням потоку. Їх моделювання показує, що в принципі це можливо.

«Я бачу багато важливих застосувань цієї роботи [про квантове тертя], — каже Троян, — починаючи від біологічних систем і закінчуючи мембранним розділенням, опрісненням, рідинними батареями, наномашинами тощо».

Незалежно від того, що зрештою створять квантові водопровідники, як акуратно підсумовує Бокке, «це дуже гарний майданчик».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/