물이 탄소로 만들어진 나노 크기의 채널을 통해 이동할 때, 그 유속은 현재의 유체 역학 이론이 예측하는 것보다 훨씬 높습니다. 프랑스 파리의 École Normale Supérieure(ENS)와 미국 뉴욕의 Flatiron Institute의 연구원들의 새로운 연구에 따르면 마찰의 양자 버전이 이 수수께끼를 해결하는 데 중요한 역할을 한다고 제안합니다. 팀의 발견은 바닷물에서 소금을 여과하거나 에너지를 생성하는 것과 같은 응용 분야에 중요한 의미를 가질 수 있습니다.
실험자들은 역설적으로 물과 같은 유체가 더 넓은 탄소 나노튜브보다 좁은 탄소 나노튜브(원자 XNUMX개 두께만큼 얇은 탄소 시트)를 더 쉽게 통과한다는 사실을 알고 있었습니다. 그 효과는 두 개 이상의 탄소 시트 층으로 구성된 나노튜브에서 가장 강력합니다. 또 다른 수수께끼는 유체가 나노튜브 벽의 극도의 매끄러움 덕분에 모든 크기의 채널을 통해 거의 마찰 없이 흐르지만 마찰은 is 현재는 설명하기 어렵다.
2016년에 리데릭 보케 그리고 동료들 ENS 더 큰 직경의 나노튜브에 대해 마찰량이 증가함을 보여주었다. 원칙적으로 이것은 물이 좁은 관을 통해 더 쉽게 흐르는 이유를 설명할 수 있습니다. 그러나 큰 튜브의 벽이 작은 튜브만큼 매끄럽기 때문에 결과는 혼란스러웠습니다.
벽은 단순한 벽이 아니다
최근작에서는 Lydéric과 마리로르 보케 ENS와 함께 니키타 카보키네 에 Flatiron Institute의 계산 양자 물리학 센터, 20에서 100 나노미터 범위의 직경을 가진 탄소 나노튜브를 연구했습니다. 연구원들은 나노튜브 벽에 초점을 맞춰 유체 역학 분야에서 이례적인 새로운 접근 방식을 취했습니다. Kavokine은 "유체역학에서 벽은 벽일 뿐이며 벽이 무엇으로 만들어졌는지는 신경 쓰지 않습니다."라고 설명합니다. "우리는 나노 규모에서 그것이 실제로 매우 중요해진다는 것을 깨달았습니다."
연구원들은 벽의 탄소-물 계면에서의 양자 효과가 탄소에 전자를 산란시켜 흐르는 액체가 에너지를 소산하게 함으로써 마찰을 일으킨다는 것을 발견했습니다. 이 전자는 물 분자와 전자기적으로 상호 작용합니다. 물 분자는 극성이기 때문에 분자의 한쪽 끝은 약간 양전하를 띠고 다른 쪽 끝은 약간 음전하를 띠기 때문입니다.
Kavokine과 동료들은 탄소의 전자가 흐르는 물 분자와 함께 움직이는 동안 약간 뒤처지는 경향이 있다고 말합니다. 전자 또는 양자 마찰로 알려진 이 효과는 지금까지 두 개의 고체 또는 단일 입자와 고체 간의 상호 작용에서만 고려되었습니다.
양자 마찰력 증가
Kavokine은 전자가 특정 주파수에서 집합적으로 진동하는 경향이 있다고 계속 설명합니다. 이 거동을 플라즈몬 모드라고 하며, 물 분자가 같은 주파수로 진동할 수 있으면 전자와 함께 진동하여 양자 마찰력을 증가시킵니다. 이 발견은 전자의 층간 운동이 물 분자의 운동과 동기화되기 때문에 잘 정렬된 여러 층을 가진 나노튜브에서 마찰 효과가 가장 강한 이유를 설명합니다.
빙수 경계면이 점성이 됩니다.
왜 이 효과가 전에는 볼 수 없었는지 묻는 질문에 Kavokine은 탄소 나노튜브에서도 매우 미미하며 표면이 더 거친 재료의 경우 무시할 수 있다고 말했습니다. 그는 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 효과를 모방하기가 어렵다고 덧붙였습니다. 분자 역학 시뮬레이션은 소위 Born-Oppenheimer 근사에 의존하기 때문에 이러한 유형의 마찰을 포착하지 못합니다. 이 근사치는 전자가 근처 원자의 움직임에 즉각적으로 적응한다고 가정하지만 그렇지 않습니다. Kavokine은 "이 연구가 우리가 이제 막 이해하기 시작한 많은 새로운 양자 계면 현상에 대한 문을 열어준다고 생각합니다."라고 결론지었습니다.
작업 보고 자연, 연구원들은 이제 실험으로 돌아가 양자 마찰 이론의 실질적인 결과를 탐구할 계획입니다. "우리는 마찰에 대한 전자 특성의 영향을 체계적으로 조사하고 싶습니다."라고 Bocquet는 말합니다. 물리 세계. "우리의 조사는 이론적인 측면에서도 계속될 것입니다."
포스트 탄소나노튜브를 통한 느린 물 흐름 '양자 브레이크' 첫 번째 등장 물리 세계.
