Ismerje meg a „kvantum vízvezeték-szerelőket”, akik felfedik a folyadékmechanika titkait a nanoléptékben – a fizika világa

<a href="https://platoaistream.net/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://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-4.jpg" data-caption="Menni az áramlással A szén nanocsöveken áthaladó víz áramlását a nanoméretben megjelenő furcsa kvantumhatások kihasználásával lehet szabályozni. (Jóvolt: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Alapítvány)”>

Ha csordogáló zuhany alatt áll, és siránkozik alacsony víznyomásán, a boríték hátulsó számítása megmutatja a víz viszkozitása, a nyomás és a vízcsövek mérete közötti összefüggést. Ha a csöveket néhány mikron szélesre kicsinyítették, akkor azt is tudnia kell, hogy mekkora súrlódás van a víz és maga a cső között, ami mikroméretben jelentőssé válik.

De mi történne, ha a csövek olyan keskenyek lennének, hogy egyszerre csak néhány vízmolekula férne át? Noha a nanoméretű vízvezetékek kivitelezhetetlennek és lehetetlennek tűnhetnek, a szén nanocsöveknek köszönhetően valóban megépíthetjük. Nem sokkal később japán fizikus Sumio Iijima 1991-ben többfalú szén nanocsöveket fedezett fel.Természet 354 56), a kutatók azon töprengtek, hogy ezek az apró szerkezetek felhasználhatók-e molekuláris méretű csövekként folyadékok felszívására és szállítására.

A szén nanocsövek falai taszítják a vizet, így a tudósok azt feltételezik, hogy a víz szinte súrlódásmentesen áthatolhat ezeken a szerkezeteken. Ilyen hatékony áramlás mellett szóba került a nanocsövek vízsótalanításra, víztisztításra és más „nanofluidikus” technológiákra való felhasználása.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg" data-caption="Bebugyolálva Művész benyomása a koncentrikus grafénrétegekről egy többfalú szén nanocsőben. (Jó: iStock/theasis)” title=”Kattintson a kép megnyitásához a felugró ablakban” href=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the -rejtelmei-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg”>

A szabványos folyadékdinamika szerint az áramló folyadék és a csőfal közötti súrlódásnak nem szabad megváltoznia, ahogy a cső szűkül. A kísérletek azonban kimutatták, hogy amikor a víz átfolyik egy szén nanocsövön, a cső csúszóssága az átmérőjétől függ.

Kiderült, hogy nanoskálán a folyadékmechanika törvényeit a víz és a szén közötti kölcsönhatások kvantummechanikai vonatkozásai szabályozzák.

Kiderült, hogy nanoméretben a folyadékmechanika törvényeit a víz és a szén közötti kölcsönhatások kvantummechanikai vonatkozásai szabályozzák, és egy új jelenséget idézhet elő, amelyet „kvantum súrlódásnak” neveznek. A súrlódás gyakran kellemetlen, de hogy itt probléma vagy lehetőség, az a találékonyságunkon múlik.

A kvantum súrlódást felhasználhatják nanoméretű áramlásérzékelők fejlesztésére vagy ultra-apró szelepek készítésére nanofluidika számára. Ennek a meglepő kvantumeffektusnak a felfedezése – amely még szobahőmérsékleten is működik – játékdobozt nyitott a gyakorlati nanotechnológiai alkalmazások és az elméleti molekuláris fizika számára egyaránt. A „kvantum vízvezeték-szerelők” számára még csak az elején járunk, hogy megtudjuk, mi van benne.

Csúszós csövek

A történet komolyan a 2000-es évek elején kezdődik, amikor a szén nanocsöveken átfolyó víz számítógépes szimulációi (Természet 438 44 és a Természet 414 188) kimutatta, hogy a vízmolekulák valóban nagyon kis súrlódással mozognak a cső falán túl. Ez lenyűgöző áramlási sebességeket hoz létre, még gyorsabban, mint az állati és növényi sejtekben a vízszintet szabályozó speciális nanoméretű fehérjecsatornákon keresztül.

Egyéb szimulációk, végzett Ben Corry a Ausztrál Nemzeti Egyetem, azt javasolta, hogy ha a nanocsövek csak néhány ångström átmérőjűek – így csak néhány vízmolekula fér el az átmérőn belül –, a szerkezetek kiszűrhetik a sókat (J. Phys. Chem. B 112 1427). Ennek az az oka, hogy az oldott sóionokat vízmolekulákból álló „hidratációs héj” veszi körül, amelynek túl nagynak kell lennie ahhoz, hogy áthaladjon a csövön. Ez a megállapítás felvetette annak lehetőségét, hogy egymáshoz igazított nanocsövekből sótalanító membránokat hozzanak létre, amelyekben az alacsony súrlódás magas vízáramlási sebességet biztosít.

Az ilyen membránokon végzett korai kísérletek (Tudomány 312 1034) a 2000-es években Olgica Bakajin’s csoportja a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium Kaliforniában ígéretesnek bizonyult (1. ábra). De a robusztus, költséghatékony membránok azonos méretű nanocsövekből történő előállításának gyakorlati lehetőségei meglehetősen lassú fejlődéshez vezettek.

A nanocsövek vízáramlásának alapos vizsgálata még bonyolultabbá tette a dolgokat. 2016-ban fizikus Lydéric Bocquet az Ecole Normale Supérieure Párizsban és munkatársai kísérleteket végeztek, amelyek kimutatták, hogy a szén nanocsöveken keresztül nyomás alatt áramló víz gyorsabbá válik, ha a cső átmérője körülbelül 100 nm-nél kisebb lesz.Természet 537 210). Más szóval, a nanocsövek annál csúszósabbnak tűnnek, minél apróbbakká válnak. A bór-nitridből készült nanocsövek esetében azonban az áramlási sebesség egyáltalán nem függött a cső átmérőjétől, ami az egyszerű klasszikus modellektől elvárható.

A szén nanocsövek koncentrikus grafénrétegekből készülnek, amely 1D méhsejt-rácsban elhelyezkedő szénatomokból áll. A grafénlapok elektromosan vezetők – mobil elektronjaik vannak –, míg a bór-nitrid szigetelő, annak ellenére, hogy hatszögletű rácsszerkezete is van.

Ez a különbség arra késztette Bocquet-et és munkatársait, hogy a váratlan viselkedés valamilyen módon összefügghet a csőfalak elektronállapotaival. A rejtélyt tovább fokozzák, hogy más kísérletek kimutatták, hogy a víz gyorsabban folyik le a grafénból készült nanoméretű csatornákon, mint a grafitból készülteken, amelyek csak egymásra halmozott grafénrétegek. A szén nanocsőben lévő koncentrikus grafénrétegek grafitszerű szerkezetet adnak nekik, így ez kulcsfontosságú lehet a víz nanocsöveken keresztül történő szállításának megértésében.

Ennek az izgalmas elméleti rejtvénynek a megoldása fontos következményekkel járhat a nanocső membránok gyakorlati felhasználásában. „Az ilyen áramlások a membrántudomány mindenféle folyamatának középpontjában állnak” – mondja Nikita Kavokine, a fizikus a Max Planck Polimerkutató Intézet a németországi Mainzban. „Szeretnénk olyan anyagokat készíteni, amelyek jobban teljesítenek a vízáteresztő képesség és az ionszelektivitás tekintetében.”

2022-ben Bocquet megoldást javasolt egy vegyészrel Marie-Laure Bocquet és Kavokine (aki akkor az ENS-nél volt) – a kvantum súrlódás fogalma (Természet 602 84). Azzal érveltek, hogy a grafit felett folyó víz lelassítható egyfajta ellenállással, amelyet a víz töltésingadozásainak és a grafénlapok mozgó elektronjaiban lévő hullámszerű gerjesztések kölcsönhatása hoz létre.

Első pillantásra valószínűtlennek tűnik, hogy a nagyon könnyű elektronok sokkal nehezebb atomokkal és molekulákkal lépnek kölcsönhatásba, tekintettel arra, hogy ilyen eltérő sebességgel mozognak. "A naiv elképzelés az, hogy az elektronok sokkal gyorsabban mozognak, mint a vízmolekulák" - mondja Kavokine - "így soha nem fognak dinamikusan beszélni egymással."

Az elektronok és atomok mozgása közötti nagy időbeli különbség az alapja végül is Born–Oppenheimer közelítés, amely lehetővé teszi az atomok és molekulák elektronállapotának kiszámítását anélkül, hogy aggódnunk kellene az atomi mozgások hatása miatt. Ahogy Bocquet elismeri, amikor munkatársaival először úgy döntöttek, hogy megvizsgálják egy ilyen interakció lehetőségét, „nagyon homályos elképzelésekkel kezdtük, és nem optimistán”.

De amikor a kutatók elvégezték a számításokat, azt találták, hogy a grafitban lévő elektronok és a vízben lévő molekulák megérezték egymást. Ennek az az oka, hogy a vízmolekulák hőmozgása rövid ideig tartó sűrűségkülönbséget hoz létre az egyes helyeken. És mivel a vízmolekulák polárisak – elektromos töltésük aszimmetrikus eloszlásúak –, ezek a sűrűségingadozások megfelelő töltésingadozásokat idéznek elő, amelyeket Debye módoknak neveznek a folyadékban. A grafitban lévő elektronfelhő hullámszerű töltésingadozásokat is mutat, amelyek kvázirészecskékként, „plazmonokként” viselkednek (2. ábra).

Statisztikus fizikus szerint Giancarlo Franzese az Barcelona Egyetem, a kvantumsúrlódás megértésének kulcsa annak felismerése, hogy a víz tulajdonságait több testre kiterjedő problémaként kell kezelni: a Debye-módusokat okozó fluktuációk kollektívek, nem egyszerűen egymolekula tulajdonságok összege.

Bocquet és munkatársai azt találták, hogy mind a plazmonhullámok grafitban, mind a Debye üzemmódban a vízben körülbelül több billió másodpercenkénti frekvenciával fordulhatnak elő – a terahertzes tartományban. Ez azt jelenti, hogy a kettő között rezonancia alakulhat ki, így az egyiket a másik izgathatja, mint ahogy egy hang hangos éneklése is rezgésbe hozhat egy csillapítatlan zongorahúrt, ha azonos hangmagasságú.

Ily módon a grafit felületén átfolyó víz lendületet adhat át a grafiton belüli plazmonoknak, és ezáltal lelassul, ellenállást tapasztalva. Más szóval, a Born–Oppenheimer közelítés itt megbomlik: ez a hatás, amelyet Bocquet „hatalmas meglepetésnek” nevez.

Lényeges, hogy a grafitban a vízhez legerősebben kapcsolódó plazmonokat az egymásra rakott grafénlapok között ugráló elektronok okozzák. Ezért nem fordulnak elő egyetlen grafénlapban (3. ábra). Bocquet és munkatársai arra gondoltak, hogy ez megmagyarázza, miért folyik le a víz lassabban a grafiton, mint a grafénon – mert csak az előbbi esetben van erős kvantumsúrlódás.

De megmagyarázná, hogyan függ a víz áramlási sebessége a szén nanocsőben a cső átmérőjétől? Nagyméretű, körülbelül 100 nm feletti átmérőjű nanocsövekben, ahol a falak viszonylag kis görbületűek, az egymásra rakott grafénrétegek közötti elektronállapotok csatolása nagyjából megegyezik a normál grafit lapos lemezekkel, tehát a víz által tapasztalt kvantum súrlódás az áramlás maximális erősségű.

De ahogy a csövek egyre keskenyebbek, falaik pedig erősebben görbülnek, a falaikban lévő rétegek közötti elektronikus kölcsönhatások gyengülnek, és a rétegek egyre inkább független grafénlapként viselkednek. Tehát körülbelül 100 nm átmérő alatt a kvantum súrlódás csökken, és ha a csövek keskenyebbek körülbelül 20 nm-nél, akkor egyáltalán nincs – a csövek olyan csúszósak, mint ahogy azt a klasszikus elméletek jósolják.

Meglehetősen bizarr, hogy ebben az esetben úgy tűnik, hogy kevesebb a „kvantumosság” a rendszerben, mivel az egyre kisebb

„Lydéric munkája rendkívül izgalmas” – mondja Angelos Michaelides, elméleti vegyész a University of Cambridge az Egyesült Királyságban, ahol a víz-grafén interfész részletes számítógépes szimulációi megerősítették, hogy kvantumsúrlódás lép fel (Nano Lett. 23 580).

A kvantum súrlódás egyik furcsa jellemzője, hogy a klasszikus megfelelőjével ellentétben nem támaszkodik a két anyag közötti közvetlen érintkezésre relatív mozgásban. A kvantumsúrlódás még akkor is lelassítaná a vizet, ha vékony vákuumréteg lenne közte és a szénnanocső között. Sandra Troian tól California Institute of Technology Pasadenában, aki az interfészek folyadékmechanikáját tanulmányozza, azt mondja, hogy ez a „távol súrlódás” egy sokkal korábbi ötlethez kapcsolódik, amelyet Leonyid Levitov orosz fizikus javasolt 1989-ben.EPL 8 499).

Az atomok körüli elektroneloszlás ingadozása azt jelenti, hogy a semleges atomok, molekulák és anyagok gyenge elektrosztatikus erőt fejthetnek ki egymásra, amelyet Van der Waals erőnek neveznek. Levitov azzal érvelt, hogy ez akadályozhatja az egymás mellett mozgó tárgyakat, még akkor is, ha vákuum választja el őket. „Levitov az egész fogalmi labdát mozgásba hozta azzal, hogy azt javasolta, hogy a távolból ható kvantumhatások közvetlen fizikai érintkezés nélkül is képesek súrlódási erőt generálni” – mondja Troian.

A nanoméretű vízvezeték-szerelés

Elméletileg mindez jól hangzik, de lehet-e kísérleti próbára tenni az ötletet? Ennek érdekében Kavokine összeállt Mischa Bonn, szintén Mainzban, a spektroszkópia víz dinamikájának vizsgálatára vonatkozó szakértője. Bonn eleinte szkeptikus volt, vallja be. "Úgy gondoltam, srácok, ez egy nagyon klassz elmélet, de szobahőmérsékleten semmiképpen nem látjátok." De beleegyezett, hogy megpróbálja.

„A súrlódás lendületátvitel” – magyarázza Bonn. „De hogyan mérhetjük ezt? Nos, meg tudom mérni az energiaátvitelt – általában ezt csináljuk a spektroszkópiában.” Tehát Kavokine átírta a kvantumsúrlódás elméletét úgy, hogy az inkább az energiaátvitelt számszerűsítse, mint az impulzusátvitelt. Aztán elindultak, hogy megnézzék, vajon észlelnek-e ilyen energiaátvitelt az elektron és a víz dinamikája között.

A számítások azt jósolták, hogy a kvantum súrlódás gyengébb a grafénban, mint a grafitban, de Bonn csapata kidolgozott egy kísérletet grafénnel, mert már tanulmányozták annak elektrondinamikáját. Bonn elmagyarázza, hogy a grafén monorétegnek van egy síkbeli plazmonja, amelyhez a vízingadozások kapcsolódhatnak, így a kvantum súrlódásnak továbbra is jelen kell lennie, bár ez gyengébb lesz, mint a grafitban.

A kutatók optikai lézerimpulzusokkal gerjesztették az elektronokat egyetlen vízbe merített grafénlapban, ami valójában hirtelen megemelte az „elektronikus hőmérsékletet”, így az kiesett a vízzel való egyensúlyból.Természet Nanotechnol. 18 898). „Van egy bizonyos belső hűtési idő” – mondja Bonn – ez a vákuumban mért hűtési sebesség. "De ha jelentős energiaátadás van [a grafénplazmonok és a víz Debye-módusai között], akkor ennek a hűtési sebességnek növekednie kell, ha víz van jelen."

És pontosan ezt látták. Ahogy az elektronok lehűlnek, a terahertzes frekvenciatartományban növekszik a fényelnyelő képességük. A kezdeti izgalmas lézerimpulzus után különböző időpontokban kibocsátott terahertzes impulzusok abszorpciójának figyelésével Bonn és munkatársai következtetni tudtak a hűtési sebességre. Ebben az esetben úgy tűnt, hogy a víz és az elektronok között energiaátadás történik – ez a kvantum súrlódás jele – még csak egy grafénréteg esetében is (4. ábra).

Ezzel szemben, amikor a grafént metanolba vagy etanolba merítették, az elektronok hűtési sebessége lassabb volt, mint vákuumban. Ezek poláris folyadékok, de nem rendelkeznek megfelelő frekvenciájú Debye-módussal, és csupán az elektronok termikus relaxációját gátolják.

„A kezdeti megérzéseim tévedtek – vallja be vidáman Bonn –, ezért nagyon kellemes meglepetés volt, amikor működött. De bár azt állítja, hogy az eredmények mennyiségileg összhangban vannak az elméleti előrejelzésekkel, további kísérletekre van szükség ahhoz, hogy ezt megerősítsék. Ráadásul eddig csak az ömlesztett vízzel érintkező lapos grafénlapokat nézték meg. „Nagyon nanozárt vízbe akarunk menni” – mondja – a bővítést már elkezdték.

Túl egy pipa álmon

Jól hasznosítható-e a kvantum súrlódás? Kavokine ebben reménykedik, és az erre irányuló erőfeszítések leírására megalkotta a „kvantumvízvezeték” kifejezést. „Láthatjuk, hogy a mechanikai munka [például a folyadékáramlás] hogyan képes közvetlenül befolyásolni az elektronikus mozgást” – mondja Bocquet. "Például, ha megmozgat egy folyadékot, elektronikus áramot indukálhat."

A kutatók most azon gondolkodnak, hogyan lehetne kihasználni a mechanikai munka és az elektronmozgás közötti közvetlen energiaátalakítást – például a hulladékáramok energiájának összegyűjtésével elektronikus áramok generálására, vagy elektronikus vezérléssel az áramlási sebesség megváltoztatására, és ezáltal nanoméretű szelepek létrehozására, ill. szivattyúk. „Ez nem lehetetlen” – vallja Bonn.

Kavokine rámutat arra, hogy a biológiai rendszerek – a fehérjék finom szerkezeti hangolhatóságának köszönhetően – nagyon jók az áramlások nagyon kis léptékű szabályozásában. Bár szerinte „valószínűtlen”, hogy bárki is elérhetné ezt a fokú szerkezeti hangolhatóságot, „[a munkánk] azt mutatja, hogy ehelyett játszhatunk az elektronikus hangolhatósággal, hogy hasonló funkciókat érjünk el, nagyon eltérő fizikával” – amit ő „antibiomimetikus útnak” nevez. ” a flow nanoengineeringhez.

Franzese szerint a kvantumsúrlódás megértése hasznos lehet alacsony súrlódású anyagok előállításához. „Gyakran használnak kenőanyagokat megoldásként, de ezek közül sok nem fenntartható” – mondja – ezért jobb megoldás lenne olyan anyag tervezése, amelynek lényegében alacsony a súrlódása. Mi több, a víz-szilárd határfelület természetét sok testet érintő problémaként tekintő megközelítés „más területekre is hatással lehet, mint például a folyadékkeverékek szűrésére és szétválasztására”.

Hideg: hogyan tanulták meg a fizikusok a részecskéket lézeres hűtéssel manipulálni és mozgatni

Eközben Michaelides és Bocquet azt az ötletet kutatja, hogy egy grafitlap elektronikus gerjesztését közvetítőként használnák, hogy lehetővé tegyék a két oldalán lévő két áramlás kommunikációját, így az egyik indukálhatja a másikat: amit áramlási alagútnak neveznek. Szimulációik azt mutatják, hogy ennek elvileg lehetségesnek kell lennie.

„Sok fontos alkalmazást képzelek el ennek a munkának [a kvantumsúrlódásról]” – mondja Troian. „A biológiai rendszerektől a membránalapú elválasztásig, sótalanításig, folyékony akkumulátorokig, nanogépekig és még sok másig.”

Függetlenül attól, hogy végül mit produkálnak a kvantumvízvezeték-szerelők, ahogy Bocquet szépen levonja a következtetést, „ez egy nagyon szép játszótér”.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/