ナノ流体工学は、水を浄化し、エネルギーを生成し、ナノスケールの機械を構築するために使用できる可能性があります。しかし、水がカーボンナノチューブを通って流れると、古典的な流体力学が崩れ、研究者らが「量子摩擦」と呼ばれる効果によるものであると考えている不可解な実験結果につながる。 フィリップ・ボール 説明して
チョロチョロとしたシャワーの下に立って水圧の低さを嘆いている場合は、裏計算をすれば、水の粘度、圧力、水道管のサイズの関係がわかります。パイプが数ミクロン幅まで縮小されている場合は、水とパイプ自体の間にどれだけの摩擦があるかを知る必要もあります。これはマイクロスケールでは重要になります。
しかし、パイプが非常に狭く、一度に数個の水分子しか通過できない場合はどうなるでしょうか?ナノスケールの配管というと非現実的かつ不可能に聞こえるかもしれませんが、カーボン ナノチューブのおかげで実際に構築できるものなのです。日本の物理学者のすぐ後に 飯島澄男 1991年に多層カーボンナノチューブを発見（自然 354 56）、研究者は、これらの小さな構造を、液体を吸い上げて輸送するための分子スケールのチューブとして使用できるのではないかと考え始めました。
カーボンナノチューブには水をはじく壁があるため、科学者らは水がこれらの構造をほとんど摩擦なく通過するのではないかと考えています。このような効率的な流れにより、ナノチューブを水の淡水化、浄水、その他の「ナノ流体」技術に使用するという話がありました。
標準的な流体力学によれば、流れる液体とパイプ壁の間の摩擦は、パイプが狭くなっても変化しないはずです。しかし、実験により、水がカーボンナノチューブの中を流れるとき、チューブの滑りやすさはその直径に依存することが示されました。
ナノスケールでは、流体力学の法則は、水と炭素の間の相互作用の量子力学的な側面によって支配されることが判明しました。
ナノスケールでは、流体力学の法則が水と炭素間の相互作用の量子力学的側面によって支配され、「量子摩擦」と呼ばれる新しい現象を引き起こす可能性があることが判明しました。摩擦はしばしば厄介なものですが、それが問題となるかチャンスとなるかは、私たちの創意工夫にかかっています。
量子摩擦は、ナノスケールの流量センサーの開発やナノ流体工学用の超小型バルブの製造に利用される可能性があります。室温でも機能するこの驚くべき量子効果の発見により、実用的なナノテクノロジー応用と理論的な分子物理学の両方におもちゃ箱が開かれました。 「量子配管工」にとって、私たちは内部に何があるのかを解明し始めたばかりです。
滑りやすいチューブ
物語は 2000 年代初頭に本格的に始まり、カーボン ナノチューブの中を流れる水のコンピューター シミュレーションが行われました (自然 438 44 & 自然 414 188）水分子が実際に非常に低い摩擦で管壁を通過して移動することを示しました。これにより、動物や植物の細胞内の水分レベルを調節する特殊なナノスケールのタンパク質チャネルを通過するよりもさらに速い、驚異的な流量が生み出されます。
その他のシミュレーションは、 ベン・コリー オーストラリア国立大学は、ナノチューブの直径が数オングストロームしかない場合、つまり直径内にほんの数個の水分子が収まる程度であれば、構造が塩を濾過できる可能性があると示唆しました（J. Phys。 Chem。 B 112 1427）。それは、溶解した塩イオンが水分子の「水和殻」に囲まれているためで、水分子の「水和殻」はチューブを通過するには大きすぎるはずです。この発見により、整列したナノチューブのアレイから低摩擦により高い水流量を保証する脱塩膜を作製できる可能性が高まった。
このような膜に関する初期の実験 (科学 312 1034）2000年代に オルギカ・バカジンのグループ ローレンスリバモア国立研究所 カリフォルニアでは有望性が示されました (図 1)。しかし、すべて同じサイズのナノチューブを使用して堅牢でコスト効率の高い膜を製造するという現実性により、進歩はかなり遅れています。
1 スピードの必要性
グラフェンの表面は疎水性であるため、グラフェンは低摩擦のナノスケール パイプにとって魅力的な材料になりますが、流れはナノチューブのサイズにも影響されることが判明しました。
ナノチューブ内の水の流れを詳しく観察すると、事態はさらに複雑になりました。 2016年に物理学者 リデリックボケ エコール・ノルマル・シュペリウール パリの研究者らは、圧力下でカーボン ナノチューブを通って流れる水の速度が、チューブの直径が約 100 nm より小さくなるにつれて速くなることを示す実験を実施しました (自然 537 210）。言い換えれば、ナノチューブは小さくなるほど滑りやすくなるように見える。しかし、窒化ホウ素から作られたナノチューブの場合、流量はチューブの直径にまったく依存しませんでした。これは、単純な古典的なモデルから予想されるとおりです。
カーボン ナノチューブは、1D ハニカム格子に配置された炭素原子で構成されるグラフェンの同心円状の層から作られています。グラフェン シートは導電性であり、可動電子を持っています。一方、窒化ホウ素は六方格子構造を持っているにも関わらず絶縁性です。
この違いにより、Bocquet らは、予期せぬ挙動が管壁内の電子状態に何らかの形で関係しているのではないかと考えました。謎をさらに増すために、他の実験では、水はグラフェンの層を積み重ねただけのグラファイトで作られたものよりも、グラフェンで作られたナノスケールのチャネルをより速く流れることが示されました。カーボン ナノチューブ内のグラフェンの同心円層は、カーボン ナノチューブにグラファイトのような構造を与えるため、これは水がどのようにナノチューブを通って輸送されるかを理解する鍵となる可能性があります。
この興味深い理論的パズルを解決することは、ナノチューブ膜の実用化に重要な意味を持つ可能性がある。 「このような流れは、膜科学におけるあらゆる種類のプロセスの中心です」と彼は言います。 ニキータカボカイン、物理学者 マックスプランク高分子研究所 ドイツのマインツにある。 「私たちは、透水性とイオン選択性の点でより優れた性能を発揮する材料を製造できるようにしたいと考えています。」
2022 年、ボケ氏は化学者と解決策を提案しました。 マリー・ローレ・ボケ そしてカヴォカイン (当時 ENS にいた) – 量子摩擦の概念 (自然 602 84）。彼らは、グラファイト上を流れる水は、水中の電荷変動とグラフェンシートの可動電子の波状励起との相互作用によって生じる一種の抗力によって遅くなる可能性があると主張した。
一見すると、非常に軽い電子がこれほど異なる速度で移動することを考えると、より重い原子や分子と相互作用する可能性は低いように思えます。 「素朴な考えは、電子は水分子よりもはるかに速く移動するということです。したがって、電子は互いに動的に対話することは決してないのです。」とカヴォーカイン氏は言います。
電子と原子の動きの時間スケールの大きな違いが、結局のところ、 ボルン・オッペンハイマー近似これにより、原子の運動の影響を心配することなく、原子や分子の電子状態を計算できるようになります。ボケ氏が認めているように、彼と同僚が最初にそのような相互作用の可能性を探ろうと決めたとき、「私たちは楽観的ではなく、非常に漠然としたアイデアから始めました」。
しかし研究者らが計算を行ったところ、グラファイト中の電子と水中の分子がお互いを感じ合う方法があることが判明した。それは、水分子の熱運動により、場所ごとに短期間の密度の差が生じるためです。そして、水分子は極性であるため、つまり非対称な電荷分布を持っているため、これらの密度変動は液体内でデバイモードと呼ばれる対応する電荷変動を引き起こします。グラファイト内の電子雲も波状の電荷変動を示し、「プラズモン」として知られる準粒子として動作します (図 2)。
統計物理学者によると ジャンカルロ・フランゼーゼ バルセロナ大学量子摩擦を理解する鍵は、水の性質を多体問題として扱う必要があることを認識することです。デバイ モードを引き起こす変動は集合的なものであり、単一分子の性質の単なる合計ではありません。
2 勢いが増す
水がグラフェンまたはグラファイトの表面上を流れると、炭素格子内のプラズモンと呼ばれる電子励起が液体内の密度変動と結合し、両者の間で運動量とエネルギーが移動できることを意味します。
Bocquetらは、グラファイトのプラズモン波と水のデバイモードの両方が、テラヘルツ範囲の毎秒約数兆の周波数で発生する可能性があることを発見した。これは、音を大声で歌うと、同じピッチであれば減衰していないピアノの弦が振動するのと同じように、両者の間に共鳴があり、一方が他方によって興奮する可能性があることを意味します。
このようにして、グラファイト表面上を流れる水はグラファイト内のプラズモンに運動量を伝達し、それによって速度が低下し、抗力が発生する可能性があります。言い換えれば、ボルン・オッペンハイマー近似はここで崩れます。これをボケ氏は「大きな驚き」と呼んでいます。
重要なのは、水と最も強く結合するグラファイト内のプラズモンは、積み重ねられたグラフェン シートの間を飛び越える電子によって引き起こされることです。したがって、これらはグラフェンの単一シートでは発生しません (図 3)。 Bocquet らは、水がグラフェン上よりもグラファイト上をゆっくりと流れる理由を説明できると考えた。前者の場合にのみ、強い量子摩擦が存在するからである。
3 電子ホッピング
グラファイトの構造と、強い量子摩擦に関連する層間プラズモンの概略図。 「A」および「B」副格子はグラファイト構造を特徴づけており、「A」原子は隣接する層の原子の間に直接位置しています。水中の電荷変動と最も強く結合するグラファイトのプラズモン モードは、グラフェン シート間を飛び越える電子によって引き起こされます。ここで、結合パラメータは、電子が隣接するシートまたは 2 番目に近いシート間をトンネルするのに必要なエネルギーを表します。
しかし、カーボンナノチューブ内の水の流量がどのようにチューブの直径に依存するのかを説明できるでしょうか?直径が約 100 nm を超える大きなナノチューブでは、壁の曲率が比較的低く、積み重ねられたグラフェン層間の電子状態の結合は、平坦なシートを備えた通常のグラファイトの場合とほぼ同じであるため、水が受ける量子摩擦は大きくなります。流れは最大の強さになります。
しかし、チューブが狭くなり、その壁がより強く湾曲するにつれて、壁内の層間の電子相互作用が弱くなり、層はより独立したグラフェンシートのように動作します。したがって、直径が約 100 nm 以下になると量子摩擦は低下し、チューブが約 20 nm より狭い場合は量子摩擦はまったくなくなり、古典的な理論が予測するのと同じくらいチューブは滑りやすくなります。
むしろ奇妙なことに、この場合、システムが小さくなるにつれて、システム内の「量子性」が減少しているように見えます。
「リデリックの仕事はとてもエキサイティングです」と彼は言います。 アンゲロス・ミカエリデス、出身の理論化学者。 ケンブリッジ大学 英国では、水とグラフェンの界面の詳細なコンピューター シミュレーションにより、量子摩擦が発生することが確認されました (ナノレット. 23 580).
量子摩擦の奇妙な特徴の 1 つは、古典的な摩擦とは異なり、相対運動における 2 つの物質間の直接接触に依存しないことです。たとえ水とカーボンナノチューブの間に薄い真空層があったとしても、量子摩擦によって水の速度は遅くなるだろう。 サンドラ・トロイアン カリフォルニア工科大学 界面の流体力学を研究しているパサデナの博士は、この「距離での摩擦」は、1989 年にロシアの物理学者レオニード・レビトフによって提案されたずっと前のアイデアに関連していると述べています (EPL 8 499).
原子周囲の電子分布の変動は、中性の原子、分子、物質がファンデルワールス力と呼ばれる弱い静電気力を互いに及ぼす可能性があることを意味します。レビトフ氏は、たとえ真空で隔てられている場合でも、これにより物体が互いに通過する際に抵抗が生じる可能性があると主張した。 「レビトフは、離れた場所で作用する量子効果が直接の物理的接触なしで摩擦力を生成できることを提案することで、概念的なボール全体を動かしました」とトロイアンは言います。
ナノスケールの配管
理論的にはすべて良さそうですが、このアイデアを実験的にテストしてみることはできるでしょうか?そのために、カヴォカイン氏は以下と提携しました。 ミーシャ・ボン、同じくマインツ在住で、分光法を使用して水の動態を調査する専門家です。最初は懐疑的だったとボン氏は認める。 「皆さん、これは本当に素晴らしい理論だと思いましたが、室温でそれがわかるわけがありません。」しかし、彼は試してみることに同意した。
「摩擦は運動量の伝達です」とボン氏は説明します。 「しかし、どうやってそれを測定できるのでしょうか？そうですね、エネルギー移動を測定できます – それが私たちが通常分光法で行っていることです。」そこでカヴォーカインは量子摩擦の理論を書き直し、運動量の伝達ではなくエネルギーの伝達を定量化した。次に彼らは、電子と水のダイナミクス間のそのようなエネルギー伝達を発見できるかどうかを確認することに着手しました。
計算では、グラフェンの量子摩擦はグラファイトよりも弱いことが予測されましたが、ボン氏のチームはグラフェンの電子動力学をすでに研究していたため、グラフェンを使った実験を考案しました。ボン氏は、グラフェン単層には水の揺らぎが結合する可能性のある面内プラズモンがあるため、グラファイトよりも弱い効果ではあるものの、量子摩擦が依然として存在するはずだと説明しています。
研究者らは、光レーザーパルスを使用して、水に浸したグラフェンの1枚のシート内の電子を励起し、事実上、「電子温度」を急激に上昇させ、水との平衡状態を崩した(ネイチャーナノテク。 18 898）。 「特定の固有冷却時間が存在します」とボン氏は言います。これは真空中での冷却速度であると考えられます。 「しかし、（グラフェンプラズモンと水のデバイモードとの間で）大きなエネルギー伝達がある場合、水が存在すると冷却速度が増加するはずです。」
そしてそれがまさに彼らが見たものです。電子が冷えるにつれて、テラヘルツ周波数範囲の光を吸収する能力が増加します。 Bonnらは、最初の励起レーザーパルス後のさまざまな時間に発射されたテラヘルツパルスの吸収を監視することで、冷却速度を推定することができた。この場合、たとえグラフェンの単層であっても、水と電子の間にエネルギー移動（量子摩擦の兆候）があるようです（図4）。
4 量子摩擦の探索
量子摩擦を調べるために「テラヘルツ分光法」と呼ばれる技術が使用されました。この技術は、材料 (この場合はグラフェンのシート) がレーザーパルスによって加熱された後の冷却速度を測定します。熱励起が低下すると、材料の放射線吸収能力が変化します。一連のテラヘルツパルスの吸収を監視することにより、冷却速度が計算されます。テラヘルツ分光法は、真空中または液体浴中で実行できます。液体の存在によってグラフェンが真空中よりも早く冷却される場合、これは量子摩擦が存在することを示します。
対照的に、グラフェンをメタノールまたはエタノールに浸した場合、電子の冷却速度は真空中よりも遅くなりました。これらは極性液体ですが、適切な周波数でデバイ モードを持たず、単に電子の熱緩和を阻害するだけです。
「私の最初の直感は間違っていました」とボンは嬉しそうに認めます。「それで、それがうまくいったときはとても嬉しい驚きでした。」しかし、結果は理論的予測と量的に一致していると彼は言うが、それを確定するにはさらなる実験が必要である。さらに、彼らはこれまでのところ、バルク水と接触している平らなグラフェンシートしか調べていません。 「私たちは本当にナノ閉じ込め水に行きたいと思っています」と彼は言いますが、その延長はすでに始まっています。
夢物語を超えて
量子摩擦はうまく利用できるでしょうか?カヴォカイン氏はそう望んでおり、そのための取り組みを表すために「量子配管」という用語を作り出した。 「（流体の流れのような）機械的な働きがどのように電子の動きに直接的に影響するのかがわかります」とボケ氏は言います。 「たとえば、液体を動かすと電子電流が発生します。」
研究者らは現在、機械的仕事と電子運動の間のエネルギーの直接変換を利用する方法を検討している。たとえば、廃棄物の流れのエネルギーを収集して電子電流を生成したり、電子制御を使用して流量を変更してナノスケールのバルブやパンプス。 「それは不可能ではありません」とボン氏は証言する。
カヴォーカイン氏は、生物学的システムは、タンパク質の微細な構造調整能力のおかげで、非常に小さなスケールでの流れを制御するのに非常に優れていると指摘します。同氏は、誰もがその程度の構造調整可能性を達成できる可能性は「ありそうにない」と考えているが、「[私たちの研究は]代わりに電子調整可能性を利用して、非常に異なる物理学で同様の機能を達成できることを示している」、これを彼が「反生体模倣ルート」と呼んでいる。 」をナノエンジニアリングに流します。
量子摩擦を理解すれば、低摩擦材料の製造に役立つ可能性があるとフランゼーゼ氏は言います。 「潤滑剤は解決策としてよく使用されますが、その多くは持続可能ではありません」と彼は言います。したがって、本質的に低摩擦の材料を設計することがより良い選択肢になるでしょう。さらに、水と固体の界面の性質を多体問題として考えるアプローチは、「流体混合物のろ過や分離などの他の分野にも影響を与える可能性がある」という。
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一方、ミカエリデスとボケは、グラファイトシートの電子励起を媒介として使用して、その両側の2つの流れが通信できるようにすることで、一方が他方を誘導する、つまりフロートンネリングと呼ぶというアイデアを模索しています。彼らのシミュレーションは、原理的にはそれが可能であることを示しています。
「私は、この研究（量子摩擦に関する）の多くの重要な応用を想像しています。その範囲は、生物学的システムから、膜ベースの分離、脱塩、液体電池、ナノマシンなどを含むシステムにまで及びます。」とトロイアン氏は言います。
量子配管工が最終的に何を生み出すかに関係なく、ボケ氏がきちんと結論づけているように、「それはとても素晴らしい遊び場です」。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
