나노유체공학은 물을 정화하고, 에너지를 생성하고, 나노 규모의 기계를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 물이 탄소 나노튜브를 통해 흐를 때 고전적인 유체 역학은 붕괴되어 연구자들이 다음과 같이 "양자 마찰"이라고 불리는 효과에 기인한 수수께끼 같은 실험적 발견으로 이어집니다. 필립 볼 설명
물이 흐르는 샤워기 아래 서서 낮은 수압을 한탄하고 있다면, 간단한 계산을 통해 물의 점도, 압력, 수도관 크기 사이의 관계를 알 수 있습니다. 파이프의 너비가 수 미크론으로 축소된 경우 물과 파이프 자체 사이에 마찰이 얼마나 많은지 알아야 하며 이는 미세 규모에서 중요합니다.
하지만 파이프가 너무 좁아서 한 번에 물 분자 몇 개만 들어갈 수 있다면 어떻게 될까요? 나노 규모의 배관 공사는 비현실적이고 불가능해 보일 수도 있지만 탄소 나노튜브 덕분에 실제로 만들 수 있는 일입니다. 일본 물리학자 직후 이지마 스미오 1991년에 다중벽 탄소나노튜브를 발견했습니다.자연 354 56), 연구자들은 이러한 작은 구조가 액체를 빨아들이고 운반하는 분자 규모의 튜브로 사용될 수 있는지 궁금해하기 시작했습니다.
탄소 나노튜브에는 물을 밀어내는 벽이 있어 과학자들은 물이 거의 마찰 없이 이러한 구조를 통과할 수 있다고 가정합니다. 이러한 효율적인 흐름을 통해 나노튜브를 담수화, 정수 및 기타 "나노유체" 기술에 사용하는 것에 대한 이야기가 있었습니다.
표준 유체 역학에 따르면 흐르는 액체와 파이프 벽 사이의 마찰은 파이프가 좁아져도 변하지 않아야 합니다. 그러나 실험에 따르면 물이 탄소 나노튜브를 통해 흐를 때 튜브의 미끄러움은 직경에 따라 달라집니다.
나노 규모에서 유체역학의 법칙은 물과 탄소 사이의 상호작용의 양자역학적 측면에 의해 지배된다는 것이 밝혀졌습니다.
나노 규모에서 유체 역학의 법칙은 물과 탄소 사이의 상호 작용의 양자 역학적 측면에 의해 지배되며 "양자 마찰"이라고 불리는 새로운 현상을 일으킬 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 마찰은 종종 귀찮은 일이지만, 이것이 문제인지 기회인지는 우리의 독창성에 달려 있습니다.
양자 마찰은 나노 규모의 유량 센서를 개발하거나 나노 유체용 초소형 밸브를 만드는 데 활용될 수 있습니다. 실온에서도 작동하는 이 놀라운 양자 효과의 발견은 실용적인 나노기술 응용과 이론적 분자 물리학 모두를 위한 장난감 상자를 열었습니다. "양자 배관공"의 경우, 우리는 내부에 무엇이 있는지 알아내는 시작 단계에 불과합니다.
미끄러운 튜브
이야기는 탄소나노튜브를 통해 흐르는 물의 컴퓨터 시뮬레이션이 시작된 2000년대 초반부터 본격적으로 시작됩니다.자연 438 44 과 자연 414 188) 물 분자가 실제로 튜브 벽을 지나 매우 낮은 마찰로 움직인다는 것을 보여주었습니다. 이는 동물과 식물 세포의 수분 수준을 조절하는 특수한 나노 규모 단백질 채널을 통하는 것보다 훨씬 더 빠른 속도로 인상적인 유속을 생성합니다.
다른 시뮬레이션은 다음과 같이 수행됩니다. 벤 코리 에 호주 국립 대학교는 나노튜브의 폭이 단지 몇 옹스트롬에 불과하여 단지 몇 개의 물 분자가 직경 내에 들어갈 수 있다면 구조가 염분을 걸러낼 수 있다고 제안했습니다.J. Phys. 화학 비 112 1427). 이는 용해된 염 이온이 물 분자의 "수화 껍질"로 둘러싸여 있기 때문입니다. 이 껍질은 너무 커서 튜브를 통과할 수 없습니다. 이 발견은 정렬된 나노튜브 배열로부터 낮은 마찰을 통해 높은 물 유속을 보장하는 담수화 막을 생성할 가능성을 높였습니다.
그러한 막에 대한 초기 실험(과학 312 1034) 2000년대에 올지카 바카진에 있는 님의 그룹 로렌스 리버모어 국립 연구소 캘리포니아에서는 가능성을 보여주었습니다(그림 1). 그러나 모두 동일한 크기의 나노튜브를 사용하여 견고하고 비용 효과적인 막을 제조하는 실용성은 다소 느린 진전을 가져왔습니다.
1 속도가 필요하다
그래핀의 소수성 표면은 그래핀을 저마찰 나노규모 파이프에 매력적인 재료로 만들지만, 흐름은 나노튜브의 크기에도 민감하다는 것이 밝혀졌습니다.
나노튜브의 물 흐름을 자세히 살펴보면 상황이 더욱 복잡해졌습니다. 2016년 물리학자 리데릭 보케 의 고등사범학교 파리에서 그의 동료들은 압력 하에서 탄소 나노튜브를 통해 흐르는 물이 튜브 직경이 약 100nm보다 작아질수록 더 빨라진다는 것을 보여주는 실험을 수행했습니다.자연 537 210). 즉, 나노튜브는 더 작아질수록 더 미끄럽게 보입니다. 그러나 질화붕소로 만든 나노튜브의 경우 유속은 튜브 직경에 전혀 의존하지 않았으며 이는 단순한 고전 모델에서 기대할 수 있는 것과 같습니다.
탄소 나노튜브는 1차원 벌집 격자로 배열된 탄소 원자로 구성된 그래핀의 동심원 층으로 만들어집니다. 그래핀 시트는 전기 전도성을 갖고 있어 이동형 전자를 가지고 있는 반면, 질화붕소는 육각형 격자 구조를 갖고 있음에도 불구하고 절연성을 갖고 있습니다.
이러한 차이로 인해 Bocquet과 동료들은 예상치 못한 행동이 튜브 벽의 전자 상태와 어떻게든 연결되어 있을 수 있다고 의심했습니다. 미스터리를 더하기 위해 다른 실험에서는 물이 그래핀 층이 적층된 흑연으로 만들어진 채널보다 그래핀으로 만들어진 나노 크기 채널 아래로 더 빠르게 흐르는 것으로 나타났습니다. 탄소 나노튜브에 있는 그래핀의 동심원 층은 흑연과 같은 구조를 제공하므로 이는 나노튜브를 통해 물이 어떻게 이동하는지 이해하는 데 핵심이 될 수 있습니다.
이 감미로운 이론적 수수께끼를 해결하는 것은 나노튜브 멤브레인의 실제 사용에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. "이러한 흐름은 막 과학의 모든 종류의 과정의 중심에 있습니다."라고 말합니다. 니키타 카보키네, 물리학자 막스 플랑크 고분자 연구소 독일 마인츠에서. “우리는 투수성과 이온 선택성 측면에서 더 나은 성능을 발휘하는 재료를 만들고 싶습니다.”
2022년 보케는 화학자와 함께 해결책을 제안했습니다. 마리로르 보케 그리고 Kavokine(당시 ENS에 있었음) - 양자 마찰의 개념(자연 602 84). 그들은 그래핀 시트의 이동 전자에서 파동과 같은 여기와 물의 전하 변동의 상호 작용에 의해 생성된 일종의 항력에 의해 흑연 위로 흐르는 물이 느려질 수 있다고 주장했습니다.
언뜻 보면 매우 가벼운 전자가 훨씬 더 무거운 원자 및 분자와 서로 다른 속도로 움직이는 것을 고려하면 상호 작용할 것 같지 않습니다. Kavokine은 "순진한 생각은 전자가 물 분자보다 훨씬 빠르게 움직이기 때문에 결코 서로 동적으로 대화하지 않을 것이라는 것"이라고 말했습니다.
전자와 원자의 움직임 사이의 시간 척도의 큰 차이는 결국 보른-오펜하이머 근사, 이를 통해 원자 운동의 영향을 걱정할 필요 없이 원자와 분자의 전자 상태를 계산할 수 있습니다. Bocquet이 인정한 것처럼, 그와 그의 동료들이 처음으로 그러한 상호 작용의 가능성을 탐색하기로 결정했을 때 "우리는 낙관적이지 않고 매우 모호한 아이디어로 시작했습니다."
그러나 연구자들이 계산을 했을 때 그들은 흑연의 전자와 물의 분자가 서로를 느낄 수 있는 방법이 있다는 것을 발견했습니다. 그 이유는 물 분자의 열 운동으로 인해 장소에 따라 단기간에 밀도 차이가 발생하기 때문입니다. 그리고 물 분자는 극성이기 때문에(전하의 비대칭 분포를 갖습니다) 이러한 밀도 변동은 액체 내에서 Debye 모드라고 하는 해당 전하 변동을 생성합니다. 흑연의 전자 구름은 또한 "플라즈몬"으로 알려진 준입자처럼 행동하는 파동 모양의 전하 변동을 나타냅니다(그림 2).
통계물리학자에 따르면 지안카를로 프란체세 의 바르셀로나 대학, 양자 마찰을 이해하는 열쇠는 물의 특성을 다체 문제로 처리해야 한다는 점을 인식하는 것입니다. Debye 모드를 유발하는 변동은 단순히 단일 분자 특성의 합이 아니라 집단적입니다.
2 추진력을 얻다
물이 그래핀이나 흑연 표면 위로 흐를 때 탄소 격자의 플라즈몬이라고 불리는 전자 여기가 액체의 밀도 변동과 결합됩니다. 이는 운동량과 에너지가 둘 사이에 전달될 수 있음을 의미합니다.
Bocquet과 동료들은 흑연의 플라즈몬 파동과 물의 Debye 모드가 모두 테라헤르츠 범위에서 초당 약 수조의 주파수로 발생할 수 있음을 발견했습니다. 이는 큰 소리로 노래를 부르면 음조가 같을 때 감쇠되지 않은 피아노 현이 진동하도록 설정할 수 있는 것처럼 둘 사이에 공명이 있을 수 있어 한 사람이 다른 사람에 의해 흥분될 수 있음을 의미합니다.
이러한 방식으로 흑연 표면 위로 흐르는 물은 흑연 내의 플라즈몬에 운동량을 전달하여 속도를 늦추고 항력을 경험할 수 있습니다. 즉, Born-Oppenheimer 근사치는 여기서 무너집니다. Bocquet이 "거대한 놀라움"이라고 부르는 효과입니다.
결정적으로, 물과 가장 강하게 결합하는 흑연의 플라즈몬은 쌓인 그래핀 시트 사이를 뛰어다니는 전자에 의해 발생합니다. 따라서 단일 그래핀 시트에서는 발생하지 않습니다(그림 3). Bocquet과 동료들은 이것이 그래핀 위에서보다 흑연 위에서 물이 더 느리게 흐르는 이유를 설명할 수 있다고 생각했습니다. 왜냐하면 전자의 경우에만 강한 양자 마찰이 있기 때문입니다.
3 전자 호핑
흑연의 구조와 강한 양자 마찰과 관련된 층간 플라즈몬의 개략도. "A"와 "B" 부격자는 흑연 구조의 특징을 나타내며, 여기서 "A" 원자는 인접한 층의 원자 사이에 직접 위치합니다. 물의 전하 변동과 가장 강하게 결합하는 흑연의 플라즈몬 모드는 그래핀 시트 사이를 뛰어다니는 전자에 의해 발생합니다. 여기서 결합 매개변수는 전자가 인접한 시트 또는 두 번째로 가까운 시트 사이를 터널링하는 데 필요한 에너지를 설명합니다.
하지만 탄소나노튜브 내 물의 유속이 튜브 직경에 따라 어떻게 달라지는지 설명할 수 있을까요? 벽의 곡률이 상대적으로 낮은 약 100 nm 이상의 직경을 갖는 대형 나노튜브에서 적층된 그래핀 층 사이의 전자 상태 결합은 평평한 시트가 있는 일반 흑연에서와 거의 동일하므로 물이 경험하는 양자 마찰 흐름이 최대 강도에 도달했습니다.
그러나 튜브가 더 좁아지고 벽이 더 강하게 구부러짐에 따라 벽의 층 사이의 전자 상호 작용은 약해지고 층은 독립적인 그래핀 시트처럼 거동합니다. 따라서 약 100nm 직경 미만에서는 양자 마찰이 감소하고, 튜브가 약 20nm보다 좁으면 전혀 마찰이 없습니다. 튜브는 고전 이론이 예측하는 것처럼 미끄럽습니다.
오히려 이상하게도 이 경우 시스템이 작아질수록 시스템의 "양자성"이 줄어드는 것 같습니다.
“Lydéric의 작업은 매우 흥미롭습니다.”라고 말합니다. 안젤로스 미카엘리데스, 이론 화학자 캠브리지 대학 영국의 연구진은 물-그래핀 경계면에 대한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 양자 마찰이 발생한다는 사실을 확인했습니다.나노레트. 23 580).
양자 마찰의 이상한 특성 중 하나는 고전적인 마찰과 달리 상대 운동에서 두 물질 사이의 직접적인 접촉에 의존하지 않는다는 것입니다. 물과 탄소 나노튜브 사이에 얇은 진공층이 있더라도 양자 마찰은 물의 속도를 늦춥니다. 산드라 트로이안 인사말 캘리포니아 기술 연구소 인터페이스의 유체 역학을 연구하는 Pasadena의 연구진은 이 "원거리 마찰"이 1989년 러시아 물리학자 Leonid Levitov가 제안한 훨씬 초기 아이디어와 관련이 있다고 말했습니다.EPL 8 499).
원자 주위의 전자 분포의 변동은 중성 원자, 분자 및 물질이 반 데르 발스 힘이라고 불리는 약한 정전기력을 서로에게 행사할 수 있음을 의미합니다. Levitov는 이것이 진공에 의해 분리된 경우에도 서로 지나가는 물체에 끌림을 일으킬 수 있다고 주장했습니다. "Levitov는 멀리서 작용하는 양자 효과가 직접적인 물리적 접촉 없이 마찰력을 생성할 수 있다는 것을 제안함으로써 전체 개념적 공을 움직이게 했습니다."라고 Troian은 말합니다.
나노 규모의 배관
이론적으로는 모두 좋아 보이지만 아이디어를 실험적으로 테스트할 수 있습니까? 이를 위해 Kavokine은 다음과 협력했습니다. 미샤 본, 또한 마인츠에서 분광학을 사용하여 물의 역학을 조사하는 전문가입니다. 처음에 본은 자신이 회의적이었다고 인정했습니다. "저는 이것이 정말 멋진 이론이라고 생각했습니다. 하지만 실온에서는 볼 수 없을 것 같습니다." 하지만 그는 한번 시도해 보기로 동의했습니다.
"마찰은 운동량 전달입니다."라고 Bonn은 설명합니다. “그런데 그걸 어떻게 측정할 수 있나요? 음, 저는 에너지 전달을 측정할 수 있습니다. 이것이 우리가 일반적으로 분광학에서 하는 일입니다.” 그래서 Kavokine은 운동량 전달이 아닌 에너지 전달을 정량화하기 위해 양자 마찰 이론을 다시 썼습니다. 그런 다음 그들은 전자와 물 역학 사이의 그러한 에너지 전달을 발견할 수 있는지 알아보기 시작했습니다.
계산 결과는 그래핀의 양자 마찰이 흑연보다 약할 것으로 예측했지만 본 팀은 이미 전자 역학을 연구했기 때문에 그래핀을 이용한 실험을 고안했습니다. Bonn은 그래핀 단층이 물의 변동과 결합할 수 있는 평면 내 플라즈몬을 갖고 있기 때문에 흑연보다 효과가 약하더라도 양자 마찰이 여전히 존재해야 한다고 설명합니다.
연구진은 광학 레이저 펄스를 사용하여 물에 담긴 단일 그래핀 시트의 전자를 여기시켰고, 결과적으로 "전자 온도"를 갑자기 높여서 물과의 평형을 벗어났습니다.네이처나노테크놀러지. 18 898). Bonn은 "특정한 고유한 냉각 시간이 있습니다"라고 말합니다. 이는 진공에서의 냉각 속도로 간주됩니다. "그러나 그래핀 플라즈몬과 물의 Debye 모드 사이에 상당한 에너지 전달이 있다면 물이 존재할 때 냉각 속도가 증가해야 합니다."
그리고 그것이 바로 그들이 본 것입니다. 전자가 냉각됨에 따라 테라헤르츠 주파수 범위의 빛을 흡수하는 능력이 증가합니다. 초기 여기 레이저 펄스 이후 서로 다른 시간에 발사된 테라헤르츠 펄스의 흡수를 모니터링함으로써 Bonn과 동료들은 냉각 속도를 추론할 수 있었습니다. 이 경우, 심지어 단층의 그래핀에 대해서도 물과 전자 사이에 에너지 전달(양자 마찰의 특징)이 있는 것처럼 보였습니다(그림 4).
4 양자 마찰 탐색
양자 마찰을 찾기 위해 "테라헤르츠 분광학"이라는 기술이 사용되었습니다. 이 기술은 레이저 펄스로 가열된 후 재료(이 경우 그래핀 시트)의 냉각 속도를 측정합니다. 열 여기가 감소함에 따라 재료의 복사 흡수 능력이 변합니다. 일련의 테라헤르츠 펄스 흡수를 모니터링하여 냉각 속도를 계산합니다. 테라헤르츠 분광법은 진공이나 액체조에서 수행할 수 있습니다. 액체의 존재로 인해 그래핀이 진공 상태에서보다 더 빨리 냉각된다면 이는 양자 마찰이 있음을 나타냅니다.
반면, 그래핀을 메탄올이나 에탄올에 담그면 전자의 냉각 속도가 진공 상태에 비해 느렸다. 이들은 극성 액체이지만 적절한 주파수에서 Debye 모드를 갖지 않으며 단지 전자의 열 이완을 억제할 뿐입니다.
Bonn은 "내 초기 본능은 틀렸어요. 그래서 그것이 효과가 있었을 때 매우 기분 좋고 놀랐습니다."라고 Bonn은 유쾌하게 인정했습니다. 그러나 그는 결과가 이론적 예측과 정량적으로 일치하지만 이를 확정하려면 추가 실험이 필요하다고 말했습니다. 게다가 그들은 지금까지 대량의 물과 접촉하는 평평한 그래핀 시트만 살펴보았습니다. “우리는 정말 나노제한 수역으로 가고 싶습니다.”라고 그는 말했습니다. 확장은 이미 시작되었습니다.
헛된 꿈 너머
양자마찰을 잘 활용할 수 있을까? Kavokine은 그렇게 되기를 바라며, 그렇게 하기 위한 노력을 설명하기 위해 "양자 배관"이라는 용어를 만들었습니다. Bocquet은 "우리는 유체 흐름과 같은 기계적 작업이 어떻게 전자 동작과 직접적으로 대화할 수 있는지 알 수 있습니다."라고 말합니다. "예를 들어 액체를 움직이면 전자 전류가 유도될 수 있습니다."
연구자들은 이제 기계적 작업과 전자 운동 사이의 직접적인 에너지 변환을 활용하는 방법에 대해 생각하고 있습니다. 예를 들어 폐기물 흐름의 에너지를 수확하여 전자 전류를 생성하거나 전자 제어를 사용하여 유량을 변경하여 나노 규모 밸브를 생성하거나 슬리퍼. “그것은 불가능하지 않습니다.”라고 Bonn은 증언합니다.
Kavokine은 생물학적 시스템이 단백질의 미세한 구조적 조정 가능성 덕분에 매우 작은 규모의 흐름을 제어하는 데 매우 능숙하다고 지적합니다. 그는 누구도 그 정도의 구조적 조정 가능성을 달성할 수 없을 것이라고 생각하지만, "[우리의 연구]는 매우 다른 물리학으로 유사한 기능을 달성하기 위해 전자 조정 가능성을 대신 사용할 수 있음을 보여줍니다."라고 그는 이를 "생체 모방 경로 방지"라고 불렀습니다. ” 나노공학을 플로우합니다.
양자 마찰을 이해하는 것은 저마찰 재료를 만드는 데 유용할 수 있다고 Franzese는 말합니다. "윤활유는 종종 솔루션으로 사용되지만 대부분은 지속 가능하지 않습니다."라고 그는 말합니다. 따라서 본질적으로 마찰이 낮은 재료를 설계하는 것이 더 나은 선택이 될 것입니다. 더욱이, 물-고체 경계면의 특성을 다체 문제로 고려하는 접근 방식은 "유체 혼합물의 여과 및 분리와 같은 다른 분야에도 영향을 미칠 수 있습니다".
냉기: 물리학자들이 레이저 냉각을 통해 입자를 조작하고 이동하는 방법을 배운 방법
한편, Michaelides와 Bocquet는 흑연 시트의 전자 여기를 중개자로 사용하여 양쪽의 두 흐름이 통신할 수 있도록 하여 하나가 다른 하나를 유도할 수 있도록 하는 아이디어를 탐구하고 있습니다. 이를 흐름 터널링이라고 부릅니다. 그들의 시뮬레이션은 그것이 원칙적으로 가능하다는 것을 보여줍니다.
Troian은 "나는 [양자 마찰에 관한] 이 연구의 많은 중요한 응용을 구상하고 있습니다"라고 말했습니다. "생물학적 시스템에서 막 기반 분리, 담수화, 액체 배터리, 나노머신 등과 관련된 시스템에 이르기까지 다양합니다."
양자 배관공이 궁극적으로 무엇을 생산하든 관계없이 Bocquet은 "아주 좋은 놀이터입니다"라고 깔끔하게 결론을 내렸습니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
