Nanofluida dapat digunakan untuk memurnikan air, menghasilkan energi, dan membuat mesin skala nano. Namun ketika air mengalir melalui tabung nano karbon, mekanika fluida klasik rusak, sehingga menghasilkan temuan eksperimental yang membingungkan yang oleh para peneliti dikaitkan dengan efek yang disebut “gesekan kuantum”, seperti Philip Bola menjelaskan
Jika Anda berdiri di bawah pancuran sambil meratapi tekanan air yang rendah, perhitungan di balik amplop akan memberi Anda hubungan antara viskositas air, tekanan, dan ukuran pipa air Anda. Jika lebar pipa Anda diperkecil hingga beberapa mikron, Anda juga perlu mengetahui seberapa besar gesekan yang terjadi antara air dan pipa itu sendiri, yang menjadi signifikan pada skala mikro.
Tapi apa jadinya jika pipa Anda sangat sempit sehingga hanya beberapa molekul air yang bisa masuk sekaligus? Meskipun pipa ledeng skala nano mungkin terdengar tidak praktis dan mustahil, hal ini sebenarnya dapat kita bangun berkat tabung nano karbon. Segera setelah fisikawan Jepang Sumio Iijima menemukan tabung nano karbon berdinding banyak pada tahun 1991 (Alam 354 56), para peneliti mulai bertanya-tanya apakah struktur kecil ini dapat digunakan sebagai tabung berskala molekul untuk menyedot dan mengangkut cairan.
Tabung nano karbon memiliki dinding yang dapat menolak air, sehingga para ilmuwan berasumsi bahwa air dapat menembus struktur ini tanpa adanya gesekan. Dengan aliran efisien seperti itu, muncul pembicaraan tentang penggunaan nanotube untuk desalinasi air, pemurnian air, dan teknologi “nanofluida” lainnya.
Menurut dinamika fluida standar, gesekan antara cairan yang mengalir dan dinding pipa tidak akan berubah seiring dengan semakin sempitnya pipa. Namun, percobaan menunjukkan bahwa ketika air mengalir melalui tabung nano karbon, kelicikan tabung bergantung pada diameternya.
Ternyata pada skala nano, hukum mekanika fluida diatur oleh aspek mekanika kuantum dari interaksi antara air dan karbon.
Ternyata pada skala nano, hukum mekanika fluida diatur oleh aspek mekanika kuantum dari interaksi antara air dan karbon, dan dapat menimbulkan fenomena baru yang disebut “gesekan kuantum”. Gesekan sering kali menjadi gangguan, namun apakah itu masalah atau peluang di sini bergantung pada kecerdikan kita.
Gesekan kuantum dapat dimanfaatkan untuk mengembangkan sensor aliran berskala nano atau membuat katup ultra-kecil untuk nanofluida. Penemuan efek kuantum yang mengejutkan ini – yang bahkan dapat bekerja pada suhu kamar – telah membuka peluang bagi aplikasi nanoteknologi praktis dan teori fisika molekuler. Bagi “tukang ledeng kuantum”, kita baru pada tahap awal mencari tahu apa yang ada di dalamnya.
Tabung licin
Ceritanya dimulai dengan sungguh-sungguh pada awal tahun 2000an, ketika simulasi komputer mengenai air yang mengalir melalui tabung nano karbon (Alam 438 44 dan Alam 414 188) menunjukkan bahwa molekul air memang bergerak dengan gesekan yang sangat rendah melewati dinding tabung. Hal ini menciptakan laju aliran yang mengesankan, bahkan lebih cepat dibandingkan melalui saluran protein berskala nano khusus yang mengatur kadar air dalam sel hewan dan tumbuhan.
Simulasi lainnya, dilakukan oleh Ben Corry di Universitas Nasional Australia, menyarankan bahwa jika nanotube hanya berukuran beberapa ångstrom – sehingga hanya beberapa molekul air yang dapat masuk ke dalam diameternya – struktur tersebut dapat menyaring garam (J. Phys. Chem B 112 1427). Hal ini karena ion garam terlarut dikelilingi oleh “cangkang hidrasi” molekul air, yang seharusnya terlalu besar untuk bisa melewati tabung. Temuan ini meningkatkan kemungkinan pembuatan membran desalinasi dari susunan nanotube yang selaras, dengan gesekan rendah memastikan laju aliran air yang tinggi.
Eksperimen awal pada membran tersebut (Ilmu 312 1034) pada tahun 2000an oleh Olga Bakajinkelompoknya di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di California menunjukkan hasil yang menjanjikan (gambar 1). Namun kepraktisan pembuatan membran yang kuat dan hemat biaya dengan nanotube yang berukuran sama telah menyebabkan kemajuan yang agak lambat.
1 Kebutuhan akan kecepatan
Permukaan hidrofobik graphene menjadikannya bahan yang menarik untuk pipa skala nano dengan gesekan rendah, namun ternyata alirannya juga sensitif terhadap ukuran tabung nano.
Melihat lebih dekat aliran air dalam nanotube membuat segalanya menjadi lebih rumit. Pada tahun 2016 fisikawan Bocquet Lydéric dari Ecole Normale Supérieure di Paris dan rekan kerjanya melakukan eksperimen yang menunjukkan bahwa air yang mengalir di bawah tekanan melalui tabung nano karbon menjadi lebih cepat karena diameter tabung menjadi lebih kecil dari sekitar 100 nm (Alam 537 210). Dengan kata lain, nanotube tampak semakin licin jika semakin kecil ukurannya. Namun untuk nanotube yang terbuat dari boron nitrida, laju alirannya tidak bergantung pada diameter tabung sama sekali, seperti yang diharapkan dari model klasik sederhana.
Tabung nano karbon terbuat dari lapisan konsentris graphene, yang terdiri dari atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah 1D. Lembaran grafena bersifat menghantarkan listrik – memiliki elektron yang bergerak – sedangkan boron nitrida bersifat isolasi, meskipun juga memiliki struktur kisi heksagonal.
Perbedaan ini membuat Bocquet dan rekannya menduga bahwa perilaku tak terduga ini mungkin ada hubungannya dengan keadaan elektron di dinding tabung. Yang menambah misteri, eksperimen lain menunjukkan bahwa air mengalir lebih cepat ke saluran berskala nano yang terbuat dari graphene dibandingkan saluran yang terbuat dari grafit – yang hanya berupa tumpukan lapisan graphene. Lapisan konsentris graphene dalam tabung nano karbon memberi mereka struktur seperti grafit, jadi ini bisa menjadi kunci untuk memahami bagaimana air diangkut melalui tabung nano.
Menyelesaikan teka-teki teoretis yang menggiurkan ini dapat memiliki implikasi penting bagi penggunaan praktis membran nanotube. “Aliran seperti itu merupakan pusat dari segala macam proses dalam ilmu membran,” katanya Nikita Kavokin, seorang fisikawan di Institut Penelitian Polimer Max Planck di Mainz, Jerman. “Kami ingin dapat membuat material yang memiliki kinerja lebih baik dalam hal permeabilitas air dan selektivitas ion.”
Pada tahun 2022 Bocquet mengusulkan solusi dengan ahli kimia Boket Marie-Laure dan Kavokine (yang saat itu berada di ENS) – gagasan gesekan kuantum (Alam 602 84). Mereka berpendapat bahwa air yang mengalir di atas grafit dapat diperlambat oleh semacam hambatan yang diciptakan oleh interaksi fluktuasi muatan dalam air dengan eksitasi seperti gelombang pada elektron bergerak pada lembaran graphene.
Pada pandangan pertama, tampaknya tidak mungkin elektron yang sangat ringan berinteraksi dengan atom dan molekul yang jauh lebih berat, mengingat mereka bergerak dengan kecepatan yang berbeda. “Gagasan naifnya adalah bahwa elektron bergerak jauh lebih cepat daripada molekul air,” kata Kavokine, “sehingga mereka tidak akan pernah berbicara satu sama lain secara dinamis.”
Perbedaan besar dalam rentang waktu antara pergerakan elektron dan atom adalah dasar dari teori ini Perkiraan Born – Oppenheimer, yang memungkinkan kita menghitung keadaan elektronik atom dan molekul tanpa harus khawatir tentang pengaruh gerakan atom. Seperti yang diakui Bocquet, ketika dia dan rekan kerjanya pertama kali memutuskan untuk menjajaki kemungkinan interaksi semacam itu, “kami memulai dengan ide yang sangat kabur dan tidak optimis”.
Namun ketika para peneliti melakukan perhitungan, mereka menemukan bahwa ada cara bagi elektron dalam grafit dan molekul dalam air untuk merasakan satu sama lain. Hal ini karena gerakan termal molekul air menciptakan perbedaan kepadatan yang berumur pendek dari satu tempat ke tempat lain. Dan karena molekul air bersifat polar – mereka memiliki distribusi muatan listrik yang asimetris – fluktuasi densitas ini menghasilkan fluktuasi muatan yang disebut mode Debye di dalam cairan. Awan elektron dalam grafit juga menunjukkan fluktuasi muatan seperti gelombang, yang berperilaku sebagai partikel kuasi yang dikenal sebagai “plasmon” (gambar 2).
Menurut fisikawan statistik Giancarlo Franzese dari Universitas Barcelona, kunci untuk memahami gesekan kuantum adalah dengan menyadari bahwa sifat-sifat air harus diperlakukan sebagai masalah banyak benda: fluktuasi yang menyebabkan mode Debye bersifat kolektif, bukan sekadar penjumlahan sifat-sifat molekul tunggal.
2 Mendapatkan momentum
Ketika air mengalir di atas permukaan graphene atau grafit, eksitasi elektronik yang disebut plasmon dalam kisi karbon berpasangan dengan fluktuasi densitas dalam cairan, yang berarti bahwa momentum dan energi dapat ditransfer di antara keduanya.
Bocquet dan rekannya menemukan bahwa gelombang plasmon dalam mode grafit dan Debye dalam air dapat terjadi dengan frekuensi sekitar beberapa triliun per detik – dalam kisaran terahertz. Artinya, akan ada resonansi di antara keduanya, sehingga yang satu dapat dirangsang oleh yang lain, seperti halnya menyanyikan sebuah nada dengan keras dapat membuat senar piano yang tidak teredam bergetar jika nadanya sama.
Dengan cara ini, air yang mengalir di atas permukaan grafit dapat mentransfer momentum ke plasmon di dalam grafit dan dengan demikian diperlambat, sehingga mengalami gaya hambat. Dengan kata lain, pendekatan Born–Oppenheimer terpecah di sini: sebuah efek yang disebut Bocquet sebagai “kejutan besar”.
Yang terpenting, plasmon dalam grafit yang berpasangan paling kuat dengan air disebabkan oleh lompatan elektron di antara tumpukan lembaran graphene. Oleh karena itu, mereka tidak muncul dalam satu lembar graphene (gambar 3). Hal ini, menurut Bocquet dan rekannya, akan menjelaskan mengapa air mengalir lebih lambat di atas grafit dibandingkan di atas grafena – karena hanya dalam kasus pertama terdapat gesekan kuantum yang kuat.
3 Lompatan elektron
Skema struktur grafit, dan plasmon antarlapis yang berhubungan dengan gesekan kuantum yang kuat. Subkisi “A” dan “B” mencirikan struktur grafit, di mana atom “A” berada langsung di antara atom-atom di lapisan yang berdekatan. Mode plasmon dalam grafit yang berpasangan paling kuat dengan fluktuasi muatan dalam air disebabkan oleh lompatan elektron di antara lembaran graphene. Di sini parameter pengikatan menggambarkan energi yang dibutuhkan elektron untuk melakukan terowongan antara lembaran yang berdekatan atau yang terdekat kedua.
Tapi apakah ini akan menjelaskan bagaimana laju aliran air dalam tabung nano karbon bergantung pada diameter tabung? Dalam nanotube besar dengan diameter di atas sekitar 100 nm, yang dindingnya memiliki kelengkungan yang relatif rendah, kopling keadaan elektronik antara tumpukan lapisan graphene hampir sama seperti pada grafit normal dengan lembaran datar, sehingga gesekan kuantum dialami oleh air. aliran berada pada kekuatan maksimumnya.
Namun ketika tabung menjadi lebih sempit dan dindingnya menjadi lebih melengkung, interaksi elektronik antara lapisan-lapisan di dindingnya menjadi lebih lemah, dan lapisan-lapisan tersebut berperilaku lebih seperti lembaran graphene independen. Jadi di bawah diameter 100 nm, gesekan kuantum akan berkurang, dan jika tabung lebih sempit dari sekitar 20 nm, maka gesekan kuantum akan berkurang sama sekali – tabung tersebut sama licinnya dengan prediksi teori klasik.
Agak aneh, dalam kasus ini, tampaknya “kuantum” dalam sistem semakin berkurang, seiring dengan semakin kecilnya ukuran sistem.
“Karya Lydéric sangat menarik,” kata Angelos Michaelides, seorang ahli kimia teoretis dari University of Cambridge di Inggris, yang simulasi komputer terperinci dari antarmuka air-graphene mengkonfirmasi bahwa gesekan kuantum terjadi (Lett Nano. 23 580).
Salah satu karakteristik aneh dari gesekan kuantum adalah, tidak seperti gesekan klasiknya, gesekan kuantum tidak bergantung pada kontak langsung antara dua zat dalam gerakan relatif. Gesekan kuantum akan memperlambat pergerakan air bahkan jika ada lapisan vakum tipis antara air dan tabung nano karbon. Sandra Troian dari California Institute of Technology di Pasadena, yang mempelajari mekanika fluida antarmuka, mengatakan bahwa “gesekan jarak jauh” ini terkait dengan gagasan yang jauh lebih awal yang diajukan pada tahun 1989 oleh fisikawan Rusia Leonid Levitov (EPL 8 499).
Fluktuasi distribusi elektron di sekitar atom berarti bahwa atom, molekul, dan bahan netral dapat mengerahkan gaya elektrostatis lemah satu sama lain yang disebut gaya Van der Waals. Levitov berpendapat bahwa hal ini dapat menimbulkan gaya hambat pada objek yang bergerak melewati satu sama lain, meskipun dipisahkan oleh ruang hampa. “Levitov menggerakkan keseluruhan bola konseptual dengan mengusulkan bahwa efek kuantum yang bekerja pada jarak jauh dapat menghasilkan gaya gesekan tanpa kontak fisik langsung,” kata Troian.
Pipa skala nano
Secara teori, semuanya terdengar bagus, tetapi bisakah ide tersebut diuji secara eksperimental? Untuk melakukan itu, Kavokine telah bekerja sama dengan Mischa Bonn, juga di Mainz, seorang ahli dalam menggunakan spektroskopi untuk menyelidiki dinamika air. Awalnya, Bonn mengakui, dia skeptis. “Saya berpikir, teman-teman, ini adalah teori yang sangat keren, tetapi Anda tidak mungkin bisa melihatnya pada suhu kamar.” Namun dia setuju untuk mencobanya.
“Gesekan adalah perpindahan momentum,” jelas Bonn. “Tetapi bagaimana kita mengukurnya? Ya, saya bisa mengukur transfer energi – itulah yang biasanya kita lakukan dalam spektroskopi.” Jadi Kavokine menulis ulang teori gesekan kuantum sehingga teori tersebut dapat mengukur perpindahan energi, bukan perpindahan momentum. Kemudian mereka berangkat untuk melihat apakah mereka dapat melihat transfer energi antara elektron dan dinamika air.
Perhitungan tersebut memperkirakan bahwa gesekan kuantum lebih lemah pada graphene dibandingkan grafit, namun tim Bonn merancang eksperimen dengan graphene karena mereka telah mempelajari dinamika elektronnya. Bonn menjelaskan bahwa lapisan tunggal graphene memiliki plasmon dalam bidang yang dapat digabungkan dengan fluktuasi air, sehingga gesekan kuantum harusnya tetap ada, meskipun efeknya akan lebih lemah dibandingkan pada grafit.
Para peneliti menggunakan pulsa laser optik untuk merangsang elektron dalam satu lembar graphene yang direndam dalam air, yang secara tiba-tiba meningkatkan “suhu elektronik” sehingga tidak seimbang dengan air (Nanoteknologi Alam. 18 898). “Ada waktu pendinginan intrinsik tertentu,” kata Bonn – yang dianggap sebagai laju pendinginan dalam ruang hampa. “Tetapi jika ada transfer energi yang signifikan [antara plasmon graphene dan mode air Debye] maka laju pendinginan akan meningkat ketika ada air.”
Dan itulah yang mereka lihat. Saat elektron mendingin, kemampuannya menyerap cahaya dalam rentang frekuensi terahertz meningkat. Dengan memantau penyerapan pulsa terahertz yang ditembakkan pada waktu berbeda setelah pulsa laser awal, Bonn dan rekannya dapat menyimpulkan laju pendinginan. Dalam hal ini, tampaknya ada transfer energi antara air dan elektron – yang merupakan ciri khas gesekan kuantum – bahkan untuk lapisan tunggal graphene (gambar 4).
4 Mencari gesekan kuantum
Sebuah teknik yang disebut “spektroskopi terahertz” digunakan untuk mencari gesekan kuantum. Teknik ini mengukur laju pendinginan suatu material (dalam hal ini lembaran graphene) setelah dipanaskan oleh pulsa laser. Ketika eksitasi termal menurun, kemampuan material untuk menyerap radiasi berubah. Dengan memantau penyerapan serangkaian pulsa terahertz, laju pendinginan dihitung. Spektroskopi Terahertz dapat dilakukan dalam ruang hampa, atau dalam penangas cairan. Jika keberadaan cairan menyebabkan graphene mendingin lebih cepat daripada di ruang hampa, hal ini menunjukkan adanya gesekan kuantum.
Sebaliknya, ketika graphene direndam dalam metanol atau etanol, laju pendinginan elektron lebih lambat dibandingkan dalam ruang hampa. Ini adalah cairan polar tetapi tidak memiliki mode Debye pada frekuensi yang sesuai, dan hanya menghambat relaksasi termal elektron.
“Naluri awal saya salah,” Bonn mengakui dengan gembira, “jadi saya mendapat kejutan yang sangat menyenangkan ketika hal itu berhasil.” Meskipun ia mengatakan bahwa hasilnya secara kuantitatif konsisten dengan prediksi teoretis, diperlukan eksperimen lebih lanjut untuk memastikannya. Terlebih lagi, sejauh ini mereka hanya mengamati lembaran graphene datar yang bersentuhan dengan air curah. “Kami benar-benar ingin beralih ke air yang dibatasi nano,” katanya – sebuah perluasan yang telah mereka mulai.
Melampaui mimpi belaka
Bisakah gesekan kuantum dimanfaatkan dengan baik? Kavokine berharap demikian, dan menciptakan istilah “pipa kuantum” untuk menggambarkan upaya untuk mencapai hal tersebut. “Kita dapat melihat bagaimana kerja mekanis [seperti aliran fluida] dapat berhubungan langsung dengan gerakan elektronik,” kata Bocquet. “Misalnya, jika Anda memindahkan cairan, Anda dapat menginduksi arus elektronik.”
Para peneliti kini memikirkan cara memanfaatkan konversi energi langsung antara kerja mekanis dan gerak elektron – misalnya, dengan memanfaatkan energi aliran limbah untuk menghasilkan arus elektronik, atau menggunakan kontrol elektronik untuk mengubah laju aliran sehingga menciptakan katup skala nano atau pompa. “Itu bukan tidak mungkin,” Bonn menegaskan.
Kavokine menunjukkan bahwa sistem biologis – berkat kemampuan struktural protein yang baik – sangat baik dalam mengendalikan aliran dalam skala yang sangat kecil. Meskipun menurutnya “tidak mungkin” seseorang dapat mencapai tingkat kemampuan penyesuaian struktural tersebut, “[pekerjaan kami] menunjukkan bahwa kita dapat memanfaatkan kemampuan penyesuaian elektronik untuk mencapai fungsi serupa dengan fisika yang sangat berbeda” – yang ia sebut sebagai “rute anti-biomimetik” ” untuk mengalirkan rekayasa nano.
Memahami gesekan kuantum dapat berguna untuk membuat material dengan gesekan rendah, kata Franzese. “Pelumas sering kali digunakan sebagai solusi, namun banyak di antaranya yang tidak ramah lingkungan,” katanya – sehingga merancang material dengan gesekan yang rendah secara intrinsik akan menjadi pilihan yang lebih baik. Terlebih lagi, pendekatan yang mempertimbangkan sifat antarmuka air-padat sebagai masalah banyak benda “dapat berdampak pada bidang lain seperti penyaringan dan pemisahan campuran fluida”.
Dingin: bagaimana fisikawan belajar memanipulasi dan memindahkan partikel dengan pendinginan laser
Sementara itu, Michaelides dan Bocquet sedang menjajaki gagasan untuk menggunakan eksitasi elektronik pada selembar grafit sebagai perantara yang memungkinkan dua aliran di kedua sisinya berkomunikasi, sehingga salah satu dapat menginduksi yang lain: apa yang mereka sebut penerowongan aliran. Simulasi mereka menunjukkan bahwa pada prinsipnya hal itu mungkin terjadi.
“Saya membayangkan banyak penerapan penting dari penelitian ini [tentang gesekan kuantum],” kata Troian, “mulai dari sistem biologis hingga yang melibatkan pemisahan berbasis membran, desalinasi, baterai cair, mesin nano, dan banyak lagi.”
Terlepas dari apa yang akhirnya dihasilkan oleh tukang pipa kuantum, seperti yang disimpulkan dengan rapi oleh Bocquet, “ini adalah taman bermain yang sangat bagus”.
- Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
- PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
- PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
- PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
- PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
- Sumber: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
