شعار زيفيرنت

تعرف على "سباكي الكم" الذين يكشفون ألغاز ميكانيكا الموائع على مقياس النانو - عالم الفيزياء

التاريخ:

يمكن استخدام الموائع النانوية لتنقية المياه، وتوليد الطاقة، وبناء آلات نانوية الحجم. ولكن عندما يتدفق الماء عبر أنبوب الكربون النانوي، تنهار ميكانيكا الموائع الكلاسيكية، مما يؤدي إلى نتائج تجريبية محيرة أرجعها الباحثون إلى تأثير يسمى "الاحتكاك الكمي"، كما فيليب بول ويوضح

<a href="https://zephyrnet.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://zephyrnet.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="الذهاب مع التيار يمكن التحكم في تدفق الماء عبر أنابيب الكربون النانوية من خلال استغلال التأثيرات الكمومية الغريبة التي تظهر على المستوى النانوي. (بإذن من: لوسي ريدينغ-إيكاندا/مؤسسة سيمونز)”>
شبكة سداسية مع شعاع من الضوء من خلال ثقب
الذهاب مع التيار يمكن التحكم في تدفق الماء عبر أنابيب الكربون النانوية من خلال استغلال التأثيرات الكمومية الغريبة التي تظهر على المستوى النانوي. (بإذن من: لوسي ريدينغ-إيكاندا/مؤسسة سيمونز)

إذا كنت تقف تحت دش متقطر تندب انخفاض ضغط المياه لديك، فإن الحساب التقريبي سيعطيك العلاقة بين لزوجة الماء والضغط وحجم أنابيب المياه لديك. إذا تم تصغير حجم الأنابيب إلى بضعة ميكرونات، فستحتاج أيضًا إلى معرفة مقدار الاحتكاك الموجود بين الماء والأنبوب نفسه، والذي يصبح مهمًا على المستوى المجهري.

ولكن ماذا سيحدث إذا كانت الأنابيب الخاصة بك ضيقة جدًا بحيث لا يمكن إدخال سوى عدد قليل من جزيئات الماء في وقت واحد؟ في حين أن السباكة النانوية قد تبدو غير عملية ومستحيلة، إلا أنها شيء يمكننا بناؤه بالفعل بفضل أنابيب الكربون النانوية. بعد فترة وجيزة من الفيزيائي الياباني سوميو إيجيما اكتشف أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران في عام 1991 (الطبيعة 354 56) بدأ الباحثون يتساءلون عما إذا كان من الممكن استخدام هذه الهياكل الصغيرة كأنابيب جزيئية لامتصاص السوائل ونقلها.

تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية على جدران تطرد الماء، مما دفع العلماء إلى افتراض أن الماء قد يندفع عبر هذه الهياكل دون احتكاك تقريبًا. مع هذا التدفق الفعال، كان هناك حديث عن استخدام الأنابيب النانوية لتحلية المياه وتنقية المياه وغيرها من تقنيات "الموائع النانوية".

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.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="ملفوف تصور فني لطبقات الجرافين متحدة المركز في أنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران. (Courtesy: iStock/theasis)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the -ألغاز-ميكانيكا الموائع-في-عالم-فيزياء-النانو-1.jpg”>نموذج لأنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران: صفائح من ذرات الكربون بسماكة ذرة واحدة مرتبة في ترتيب سداسي ومنحنية على شكل أنابيب، والأنابيب الأوسع تحتوي على أنابيب أضيق بداخلها.

وفقًا لديناميكيات الموائع القياسية، لا ينبغي أن يتغير الاحتكاك بين السائل المتدفق وجدار الأنبوب عندما يصبح الأنبوب أضيق. ومع ذلك، فقد أظهرت التجارب أنه عندما يتدفق الماء عبر أنبوب الكربون النانوي، فإن انزلاق الأنبوب يعتمد على قطره.

اتضح أنه على المستوى النانوي، تخضع قوانين ميكانيكا الموائع للجوانب الميكانيكية الكمومية للتفاعلات بين الماء والكربون

اتضح أنه على المستوى النانوي، تخضع قوانين ميكانيكا الموائع للجوانب الميكانيكية الكمومية للتفاعلات بين الماء والكربون، ويمكن أن تؤدي إلى ظاهرة جديدة يطلق عليها اسم "الاحتكاك الكمي". غالبًا ما يكون الاحتكاك مصدر إزعاج، ولكن سواء كان مشكلة أو فرصة هنا يعتمد على براعتنا.

يمكن استغلال الاحتكاك الكمي لتطوير أجهزة استشعار التدفق النانوي أو لصنع صمامات صغيرة جدًا للسوائل النانوية. إن اكتشاف هذا التأثير الكمي المدهش - والذي يعمل حتى في درجة حرارة الغرفة - قد فتح المجال أمام التطبيقات العملية لتكنولوجيا النانو والفيزياء الجزيئية النظرية على حد سواء. بالنسبة إلى "السباكين الكميين"، نحن فقط في بداية اكتشاف ما بداخلها.

أنابيب زلقة

تبدأ القصة بشكل جدي في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما تم إجراء محاكاة حاسوبية للمياه المتدفقة عبر أنابيب الكربون النانوية (الطبيعة 438 44 و الطبيعة 414 188) أظهر أن جزيئات الماء تتحرك بالفعل مع احتكاك منخفض جدًا عبر جدار الأنبوب. وهذا يخلق معدلات تدفق مذهلة، حتى أسرع من قنوات البروتين النانوية المتخصصة التي تنظم مستويات الماء في الخلايا الحيوانية والنباتية.

عمليات محاكاة أخرى، قام بها بن كوري في الجامعة الوطنية الأستراليةاقترح أنه إذا كانت الأنابيب النانوية لا يتجاوز عددها بضعة أنجستروم - بحيث لا يتناسب سوى عدد قليل من جزيئات الماء داخل القطر - فإن الهياكل يمكنها تصفية الأملاح (J. Phys. كيم. ب 112 1427). وذلك لأن أيونات الملح الذائبة تكون محاطة بـ "قشرة مائية" من جزيئات الماء، والتي يجب أن تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكنها المرور عبر الأنبوب. أثار هذا الاكتشاف إمكانية إنشاء أغشية تحلية المياه من صفائف من الأنابيب النانوية المتراصفة، مع انخفاض الاحتكاك مما يضمن معدلات تدفق عالية للمياه.

التجارب المبكرة على مثل هذه الأغشية (علوم 312 1034) في 2000s بواسطة أولجيكا باكاجينالمجموعة في مختبر لورنس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا أظهرت نتائج واعدة (الشكل 1). لكن الجوانب العملية لتصنيع أغشية قوية وفعالة من حيث التكلفة باستخدام الأنابيب النانوية التي لها نفس الحجم أدت إلى تقدم بطيء نوعًا ما.

1 الحاجة إلى السرعة

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-2.jpg" data-caption="(Originally published in الطبيعة 537 210. مستنسخة بإذن من Springer Nature)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the -ألغاز-ميكانيكا الموائع-في-عالم-فيزياء-النانو-2.jpg”>تصور فني لسائل يتدفق عبر أنبوب الكربون النانوي

إن سطح الجرافين الكاره للماء يجعله مادة جذابة للأنابيب النانوية منخفضة الاحتكاك، ولكن اتضح أن التدفق حساس أيضًا لحجم الأنبوب النانوي.

إن إلقاء نظرة فاحصة على تدفق الماء في الأنابيب النانوية جعل الأمور أكثر تعقيدًا. في عام 2016 فيزيائي ليديريك بوكيه ل مدرسة Ecole Normale Supérieure أجرى وزملاؤه في باريس تجارب أظهرت أن الماء المتدفق تحت الضغط عبر أنابيب الكربون النانوية يصبح أسرع عندما يصبح قطر الأنبوب أصغر من حوالي 100 نانومتر (الطبيعة 537 210). وبعبارة أخرى، تبدو الأنابيب النانوية أكثر انزلاقًا كلما أصبحت أصغر حجمًا. ومع ذلك، بالنسبة للأنابيب النانوية المصنوعة من نيتريد البورون، فإن معدلات التدفق لم تعتمد على قطر الأنبوب على الإطلاق، وهو ما يتوقعه المرء تمامًا من النماذج الكلاسيكية البسيطة.

تصنع الأنابيب النانوية الكربونية من طبقات متحدة المركز من الجرافين، الذي يتكون من ذرات الكربون مرتبة في شبكة قرص العسل أحادية الأبعاد. تتميز صفائح الجرافين بأنها موصلة للكهرباء – فهي تحتوي على إلكترونات متحركة – في حين أن نيتريد البورون عازل، على الرغم من وجود بنية شبكية سداسية أيضًا.

هذا الاختلاف جعل بوكيه وزملائه يشككون في أن السلوك غير المتوقع قد يكون مرتبطًا بطريقة ما بحالات الإلكترون في جدران الأنابيب. ولزيادة الغموض، أظهرت تجارب أخرى أن الماء يتدفق بشكل أسرع عبر القنوات النانوية المصنوعة من الجرافين مقارنة بتلك المصنوعة من الجرافيت - وهي مجرد طبقات مكدسة من الجرافين. إن طبقات الجرافين متحدة المركز في الأنابيب النانوية الكربونية تمنحها بنية تشبه الجرافيت، لذلك يمكن أن يكون هذا مفتاحًا لفهم كيفية نقل الماء عبر الأنابيب النانوية.

قد يكون لحل هذا اللغز النظري المحير آثارًا مهمة على الاستخدامات العملية لأغشية الأنابيب النانوية. يقول: "مثل هذه التدفقات هي في قلب جميع أنواع العمليات في علم الأغشية". نيكيتا كافوكين، وهو فيزيائي في معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمر في ماينز، ألمانيا. "نريد أن نكون قادرين على صنع مواد ذات أداء أفضل من حيث نفاذية الماء وانتقائية الأيونات."

في عام 2022، اقترح بوكيه حلاً مع الكيميائي ماري لوري بوكيه وكافوكين (الذي كان آنذاك في ENS) – فكرة الاحتكاك الكمي (الطبيعة 602 84). لقد جادلوا بأن الماء المتدفق فوق الجرافيت يمكن أن يتباطأ عن طريق نوع من السحب الناتج عن تفاعل تقلبات الشحنة في الماء مع الإثارة الشبيهة بالموجة في الإلكترونات المتحركة لصفائح الجرافين.

للوهلة الأولى، يبدو من غير المحتمل أن تتفاعل الإلكترونات الخفيفة جدًا مع الذرات والجزيئات الأثقل بكثير، نظرًا لأنها تتحرك بسرعات مختلفة. يقول كافوكين: "الفكرة الساذجة هي أن الإلكترونات تتحرك بسرعة أكبر بكثير من جزيئات الماء، لذا فإنها لن تتحدث مع بعضها البعض ديناميكيًا أبدًا".

إن الفارق الكبير في المقاييس الزمنية بين حركات الإلكترونات والذرات هو في النهاية أساس النظرية تقريب بورن-أوبنهايمر، والذي يتيح لنا حساب الحالات الإلكترونية للذرات والجزيئات دون الحاجة إلى القلق بشأن تأثير الحركات الذرية. وكما يعترف بوكيه، عندما قرر هو وزملاؤه لأول مرة استكشاف إمكانية حدوث مثل هذا التفاعل، "بدأنا بأفكار غامضة للغاية وغير متفائلة".

ولكن عندما أجرى الباحثون الحسابات، وجدوا أن هناك طريقة لتشعر الإلكترونات الموجودة في الجرافيت والجزيئات الموجودة في الماء ببعضها البعض. وذلك لأن الحركات الحرارية لجزيئات الماء تخلق اختلافات قصيرة الأمد في الكثافة من مكان إلى آخر. ولأن جزيئات الماء قطبية - أي أن لديها توزيعًا غير متماثل للشحنة الكهربائية - فإن تقلبات الكثافة هذه تنتج تقلبات شحن مقابلة تسمى أنماط ديباي داخل السائل. تُظهِر السحابة الإلكترونية في الجرافيت أيضًا تقلبات في الشحنات تشبه الموجة، والتي تتصرف كأشباه جسيمات تُعرف باسم "البلازمونات" (الشكل 2).

بحسب عالم الفيزياء الإحصائية جيانكارلو فرانزيزي ل جامعة برشلونةإن مفتاح فهم الاحتكاك الكمي هو إدراك أنه يجب التعامل مع خصائص الماء باعتبارها مشكلة تتعلق بالعديد من الأجسام: فالتقلبات التي تسبب أنماط ديباي هي تقلبات جماعية، وليست مجرد مجموع خصائص جزيء واحد.

2 اكتساب الزخم

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world.png" data-caption="(CC BY 4.0 نيتشر نانوتكنول. 18 898)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid -ميكانيكا-في-مقياس-النانو-الفيزياء-world.png”>رسم تخطيطي لتدفق السائل على شبكة سداسية

عندما يتدفق الماء فوق سطح الجرافين أو الجرافيت، فإن الإثارة الإلكترونية التي تسمى البلازمونات في شبكة الكربون تقترن بتقلبات الكثافة في السائل، مما يعني أنه يمكن نقل الزخم والطاقة بين الاثنين.

وجد بوكيه وزملاؤه أن موجات البلازمون في نمطي الجرافيت وديباي في الماء قد تحدث بترددات تبلغ حوالي عدة تريليونات في الثانية، في نطاق تيراهيرتز. هذا يعني أنه يمكن أن يكون هناك رنين بين الاثنين، بحيث يمكن إثارة أحدهما من قبل الآخر، تمامًا كما يمكن لغناء نغمة بصوت عالٍ أن يجعل وتر البيانو غير المخمد يهتز إذا كان له نفس طبقة الصوت.

بهذه الطريقة، يمكن للمياه المتدفقة على سطح الجرافيت أن تنقل الزخم إلى البلازمونات الموجودة داخل الجرافيت وبالتالي يتم إبطاؤها، مما يؤدي إلى حدوث السحب. وبعبارة أخرى، فإن تقريب بورن-أوبنهايمر ينهار هنا: وهو التأثير الذي يسميه بوكيه "مفاجأة كبيرة".

والأهم من ذلك، أن البلازمونات الموجودة في الجرافيت والتي تقترن بشدة مع الماء ناتجة عن قفز الإلكترونات بين صفائح الجرافين المكدسة. ولذلك فهي لا توجد في صفائح مفردة من الجرافين (الشكل 3). اعتقد بوكيه وزملاؤه أن هذا من شأنه أن يفسر سبب تدفق الماء بشكل أبطأ فوق الجرافيت مقارنة بالجرافين، لأنه في الحالة الأولى فقط يوجد احتكاك كمي قوي.

3- التنقل الإلكتروني

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.png" data-caption="(Originally published in الطبيعة 602 84. مستنسخة بإذن من Springer Nature)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the -ألغاز-ميكانيكا الموائع-في-فيزياء-العالم-النانو-1.png”>رسم تخطيطي لأربع طبقات من الشبكة مع مرور السائل من الأعلى إلى الأسفل

رسم تخطيطي لبنية الجرافيت والبلازمونات ذات الطبقات البينية المرتبطة بالاحتكاك الكمي القوي. تميز الشبكات الفرعية "A" و"B" بنية الجرافيت، حيث تتوضع ذرات "A" مباشرة بين الذرات في الطبقات المجاورة. إن أنماط البلازمون في الجرافيت التي تقترن بشدة بتقلبات الشحنة في الماء ناتجة عن قفز الإلكترونات بين صفائح الجرافين. هنا تصف معلمات الربط الطاقة اللازمة للإلكترونات للتنقل بين الصفائح المجاورة أو ثاني أقرب.

ولكن هل يفسر هذا كيف يعتمد معدل تدفق الماء في أنبوب الكربون النانوي على قطر الأنبوب؟ في الأنابيب النانوية الكبيرة التي يزيد قطرها عن حوالي 100 نانومتر، حيث تكون الجدران ذات انحناء منخفض نسبيًا، يكون اقتران الحالات الإلكترونية بين طبقات الجرافين المكدسة هو نفسه تمامًا كما هو الحال في الجرافيت العادي ذي الصفائح المسطحة، وبالتالي فإن الاحتكاك الكمي الذي يتعرض له الماء التدفق في أقصى قوته.

ولكن عندما تصبح الأنابيب أضيق وتصبح جدرانها أكثر انحناءً بقوة، فإن التفاعلات الإلكترونية بين الطبقات في جدرانها تصبح أضعف، وتتصرف الطبقات بشكل أشبه بصفائح الجرافين المستقلة. لذا، أقل من 100 نانومتر تقريبًا، ينخفض ​​الاحتكاك الكمي، وإذا كانت الأنابيب أضيق من حوالي 20 نانومتر، فلن يكون هناك أي شيء على الإطلاق - فالأنابيب زلقة كما تتنبأ النظريات الكلاسيكية.

ومن الغريب إلى حد ما، في هذه الحالة، يبدو أن هناك "كمية" أقل في النظام، حيث يصبح أصغر حجمًا

يقول: "إن عمل ليدريك مثير للغاية". انجيلوس ميكايليدس، الكيميائي النظري من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة، أكدت عمليات المحاكاة الحاسوبية التفصيلية للواجهة بين الماء والجرافين حدوث الاحتكاك الكمي (نانو ليت. 23 580).

إحدى الخصائص الغريبة للاحتكاك الكمومي هي أنه، على عكس نظيره الكلاسيكي، لا يعتمد على الاتصال المباشر بين المادتين في الحركة النسبية. سيؤدي الاحتكاك الكمي إلى إبطاء حركة الماء حتى لو كانت هناك طبقة فراغية رقيقة بينه وبين أنبوب الكربون النانوي. ساندرا ترويان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يقول في باسادينا، الذي يدرس ميكانيكا الموائع للواجهات البينية، إن هذا "الاحتكاك عن بعد" يرتبط بفكرة أقدم بكثير اقترحها الفيزيائي الروسي ليونيد ليفيتوف في عام 1989 (EPL 8 499).

التقلبات في توزيع الإلكترونات حول الذرات تعني أن الذرات والجزيئات والمواد المحايدة يمكن أن تمارس قوة كهروستاتيكية ضعيفة على بعضها البعض تسمى قوة فان دير فالس. جادل ليفيتوف بأن هذا يمكن أن يخلق عائقًا على الأجسام التي تتحرك بالقرب من بعضها البعض، حتى عندما يفصل بينها فراغ. يقول ترويان: "لقد حرك ليفيتوف الكرة المفاهيمية بأكملها من خلال اقتراح أن التأثيرات الكمومية التي تعمل عن بعد يمكن أن تولد قوة احتكاك دون اتصال جسدي مباشر".

السباكة على نطاق النانو

يبدو كل هذا جيدًا من الناحية النظرية، لكن هل يمكن وضع الفكرة تحت الاختبار التجريبي؟ وللقيام بذلك، تعاونت كافوكين مع ميشا بون، أيضًا في ماينز، وهو خبير في استخدام التحليل الطيفي لسبر ديناميكيات المياه. في البداية، يعترف بون بأنه كان متشككا. "قلت يا رفاق، هذه نظرية رائعة حقًا، ولكن من المستحيل أن تراها في درجة حرارة الغرفة." لكنه وافق على المحاولة.

"الاحتكاك هو نقل الزخم"، يشرح بون. "ولكن كيف يمكننا قياس ذلك؟ حسنًا، يمكنني قياس نقل الطاقة، وهذا ما نفعله عادةً في التحليل الطيفي. لذلك أعاد كافوكين كتابة نظرية الاحتكاك الكمي بحيث تحدد كمية نقل الطاقة، بدلاً من نقل الزخم. ثم شرعوا في معرفة ما إذا كان بإمكانهم اكتشاف انتقال الطاقة بين ديناميكيات الإلكترون والماء.

تنبأت الحسابات بأن الاحتكاك الكمي أضعف في الجرافين منه في الجرافيت، لكن فريق بون ابتكر تجربة مع الجرافين لأنهم درسوا بالفعل ديناميكيات الإلكترون الخاصة به. يوضح بون أن طبقة الجرافين الأحادية تحتوي على بلازمون في المستوى يمكن أن تقترن به تقلبات الماء، لذلك يجب أن يظل الاحتكاك الكمي موجودًا، على الرغم من أنه سيكون تأثيرًا أضعف من تأثير الجرافيت.

استخدم الباحثون نبضات ليزر بصرية لإثارة الإلكترونات في شريحة واحدة من الجرافين المغمورة في الماء، مما أدى في الواقع إلى رفع "درجة الحرارة الإلكترونية" بشكل مفاجئ بحيث أصبحت خارج التوازن مع الماء (نيتشر نانوتكنول. 18 898). يقول بون: "هناك زمن تبريد جوهري معين"، ويُعتبر هذا هو معدل التبريد في الفراغ. "ولكن إذا كان هناك نقل كبير للطاقة [بين بلازمونات الجرافين وأنماط ديباي للمياه] فيجب أن يزيد معدل التبريد عند وجود الماء."

وهذا بالضبط ما رأوه. ومع تبريد الإلكترونات، تزداد قدرتها على امتصاص الضوء في نطاق تردد تيراهيرتز. ومن خلال مراقبة امتصاص نبضات تيراهيرتز التي تم إطلاقها في أوقات مختلفة بعد نبضة الليزر المثيرة الأولية، تمكن بون وزملاؤه من استنتاج معدل التبريد. في هذه الحالة، يبدو أن هناك انتقالًا للطاقة بين الماء والإلكترونات - وهي علامة على الاحتكاك الكمي - حتى بالنسبة لطبقة أحادية من الجرافين (الشكل 4).

4 البحث عن الاحتكاك الكمي

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-2.png" data-caption="(CC BY 4.0 نيتشر نانوتكنول. 18 898)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid -الميكانيكا-في-الفيزياء-النانوية-العالم-2.png”>رسم تخطيطي لمضخة بصرية متصلة بمرشح الجرافين

تم استخدام تقنية تسمى "مطياف تيراهيرتز" للبحث عن الاحتكاك الكمي. تقيس هذه التقنية معدل تبريد المادة (في هذه الحالة ورقة من الجرافين) بعد تسخينها بواسطة نبضة ليزر. مع انخفاض الإثارة الحرارية، تتغير قدرة المادة على امتصاص الإشعاع. ومن خلال مراقبة امتصاص سلسلة من نبضات تيراهيرتز، يتم حساب معدل التبريد. يمكن إجراء التحليل الطيفي تيراهيرتز في الفراغ، أو في حمام سائل. إذا كان وجود سائل يتسبب في تبريد الجرافين بسرعة أكبر مما هو عليه في الفراغ، فهذا يشير إلى وجود احتكاك كمي.

في المقابل، عندما تم غمر الجرافين في الميثانول أو الإيثانول، كان معدل تبريد الإلكترونات أبطأ منه في الفراغ. هذه سوائل قطبية ولكنها لا تحتوي على أوضاع ديباي عند الترددات المناسبة، وهي فقط تمنع الاسترخاء الحراري للإلكترونات.

ويعترف بون بمرح قائلاً: "كانت غرائزي الأولية خاطئة، لذا كانت مفاجأة سارة للغاية عندما نجح الأمر". ولكن بينما يقول إن النتائج متسقة من الناحية الكمية مع التوقعات النظرية، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من التجارب للوصول إلى هذه النتيجة. علاوة على ذلك، فقد نظروا حتى الآن فقط إلى صفائح الجرافين المسطحة التي تتلامس مع كميات كبيرة من الماء. ويقول: "نريد حقًا أن نذهب إلى المياه المحصورة بالنانو"، وهو امتداد بدأوه بالفعل.

أبعد من حلم بعيد المنال

هل يمكن الاستفادة من الاحتكاك الكمي بشكل جيد؟ يأمل كافوكين ذلك، وقد صاغ مصطلح «السباكة الكمية» لوصف الجهود المبذولة للقيام بذلك. يقول بوكيه: "يمكننا أن نرى كيف يمكن للعمل الميكانيكي [مثل تدفق السوائل] أن يتحدث مباشرة إلى الحركة الإلكترونية". "على سبيل المثال، إذا قمت بتحريك سائل، يمكنك توليد تيار إلكتروني."

ويفكر الباحثون الآن في كيفية استغلال التحويل المباشر للطاقة بين العمل الميكانيكي وحركة الإلكترون - على سبيل المثال، من خلال حصاد الطاقة من تدفقات النفايات لتوليد تيارات إلكترونية، أو استخدام التحكم الإلكتروني لتغيير معدلات التدفق وبالتالي إنشاء صمامات نانوية أو مضخات. "هذا ليس مستحيلا"، تشهد بون.

يشير كافوكين إلى أن الأنظمة البيولوجية - بفضل الضبط الهيكلي الدقيق للبروتينات - جيدة جدًا في التحكم في التدفقات على نطاقات صغيرة جدًا. وبينما يعتقد أنه "من غير المرجح" أن يتمكن أي شخص من تحقيق هذه الدرجة من قابلية الضبط الهيكلي، "يُظهر [عملنا] أنه يمكننا اللعب بدلاً من ذلك مع قابلية الضبط الإلكتروني لتحقيق وظائف مماثلة بفيزياء مختلفة تمامًا" - وهو ما يطلق عليه "الطريق المضاد للمحاكاة الحيوية". "لتدفق هندسة النانو.

يقول فرانزيزي إن فهم الاحتكاك الكمي قد يكون مفيدًا في صنع مواد منخفضة الاحتكاك. ويقول: "غالبًا ما تُستخدم مواد التشحيم كحل، لكن الكثير منها غير مستدام"، لذا فإن تصميم مادة ذات احتكاك منخفض بشكل جوهري سيكون خيارًا أفضل. علاوة على ذلك، فإن النهج الذي ينظر إلى طبيعة السطح البيني للماء والصلب كمشكلة تتعلق بالعديد من الأجسام "يمكن أن يكون له آثار في مجالات أخرى، مثل ترشيح مخاليط السوائل وفصلها".

في هذه الأثناء، يستكشف ميكايليدس وبوكيه فكرة استخدام الإثارة الإلكترونية لصفيحة من الجرافيت كوسيط للسماح لتدفقين على جانبيها بالتواصل، بحيث قد يحفز أحدهما الآخر: ما يسمونه التدفق النفقي. وتظهر عمليات المحاكاة التي أجروها أن هذا الأمر ممكن من حيث المبدأ.

يقول ترويان: "أتصور العديد من التطبيقات المهمة لهذا العمل [في مجال الاحتكاك الكمي]، بدءًا من الأنظمة البيولوجية إلى تلك التي تتضمن الفصل القائم على الأغشية، وتحلية المياه، والبطاريات السائلة، والآلات النانوية، وغيرها".

وبغض النظر عما ينتجه السباكون الكميون في نهاية المطاف، كما يستنتج بوكيه بدقة، "فإنها ساحة لعب جميلة جدًا".

بقعة_صورة

أحدث المعلومات الاستخباراتية

بقعة_صورة