Nanofluïdica kunnen worden gebruikt om water te zuiveren, energie op te wekken en machines op nanoschaal te bouwen. Maar wanneer water door een koolstofnanobuisje stroomt, valt de klassieke vloeistofmechanica uiteen, wat leidt tot verwarrende experimentele bevindingen die onderzoekers hebben toegeschreven aan een effect dat ‘kwantumwrijving’ wordt genoemd. Filip Bal legt uit
Als u onder een druppelende douche staat en klaagt over uw lage waterdruk, geeft een berekening op basis van de berekening u de relatie tussen de viscositeit van het water, de druk en de grootte van uw waterleidingen. Als je leidingen zijn verkleind tot een paar micron breed, zou je ook moeten weten hoeveel wrijving er is tussen het water en de buis zelf, wat op microschaal aanzienlijk wordt.
Maar wat zou er gebeuren als je leidingen zo smal zouden zijn dat er maar een paar watermoleculen tegelijk doorheen zouden kunnen? Hoewel loodgieterswerk op nanoschaal zowel onpraktisch als onmogelijk klinkt, is het iets dat we daadwerkelijk kunnen bouwen dankzij koolstofnanobuisjes. Kort na de Japanse natuurkundige Sumio Iijima ontdekte meerwandige koolstofnanobuisjes in 1991 (NATUUR 354 56), begonnen onderzoekers zich af te vragen of deze kleine structuren konden worden gebruikt als buizen op moleculaire schaal om vloeistoffen op te zuigen en te transporteren.
Koolstofnanobuisjes hebben wanden die water afstoten, waardoor wetenschappers veronderstellen dat water vrijwel wrijvingsvrij door deze structuren heen kan stromen. Met zo’n efficiënte stroom werd er gesproken over het gebruik van de nanobuisjes voor waterontzilting, waterzuivering en andere “nanofluïdische” technologieën.
Volgens de standaard vloeistofdynamica zou de wrijving tussen een stromende vloeistof en de buiswand niet moeten veranderen naarmate de buis smaller wordt. Experimenten hebben echter aangetoond dat wanneer water door een koolstofnanobuis stroomt, de gladheid van de buis afhangt van de diameter ervan.
Het blijkt dat op nanoschaal de wetten van de vloeistofmechanica worden bepaald door de kwantummechanische aspecten van de interacties tussen water en koolstof
Het blijkt dat op nanoschaal de wetten van de vloeistofmechanica worden bepaald door de kwantummechanische aspecten van de interacties tussen water en koolstof, en aanleiding kunnen geven tot een nieuw fenomeen dat ‘kwantumwrijving’ wordt genoemd. Wrijving is vaak hinderlijk, maar of het hier een probleem of een kans is, hangt af van ons vindingrijkheid.
Kwantumwrijving zou kunnen worden benut om stromingssensoren op nanoschaal te ontwikkelen of om ultrakleine kleppen voor nanofluïdica te maken. De ontdekking van dit verrassende kwantumeffect – dat zelfs bij kamertemperatuur werkt – heeft een speelgoeddoos geopend voor zowel praktische nanotechnologietoepassingen als theoretische moleculaire fysica. Voor “kwantumloodgieters” staan we nog maar aan het begin van het ontdekken wat erin zit.
Gladde buizen
Het verhaal begint pas echt in het begin van de jaren 2000, toen computersimulaties van water dat door koolstofnanobuisjes stroomt (NATUUR 438 44 en NATUUR 414 188) toonde aan dat watermoleculen inderdaad met zeer lage wrijving langs de buiswand bewegen. Dit creëert indrukwekkende stroomsnelheden, zelfs sneller dan via de gespecialiseerde eiwitkanalen op nanoschaal die de waterniveaus in dierlijke en plantaardige cellen reguleren.
Andere simulaties, uitgevoerd door Ben Corrie de Australian National University, suggereerde dat als de nanobuisjes maar een paar ångstrom in doorsnede zijn – zodat er maar een paar watermoleculen binnen de diameter passen – de structuren zouten zouden kunnen filteren (J. Fys. Chem. B 112 1427). Dat komt omdat opgeloste zoutionen omgeven zijn door een “hydratatieschil” van watermoleculen, die te groot zou moeten zijn om door de buis te gaan. Deze bevinding leidde tot de mogelijkheid om ontziltingsmembranen te creëren uit reeksen uitgelijnde nanobuisjes, waarbij de lage wrijving hoge waterstroomsnelheden garandeert.
Vroege experimenten met dergelijke membranen (Wetenschap 312 1034) in de jaren 2000 door Olgica Bakajin's groep bij de Lawrence Livermore National Laboratory in Californië bleek veelbelovend (figuur 1). Maar de praktische aspecten van het fabriceren van robuuste, kosteneffectieve membranen met nanobuisjes die allemaal even groot zijn, hebben tot tamelijk langzame vooruitgang geleid.
1 Behoefte aan snelheid
Het hydrofobe oppervlak van grafeen maakt het een aantrekkelijk materiaal voor buizen op nanoschaal met lage wrijving, maar het blijkt dat de stroming ook gevoelig is voor de grootte van de nanobuis.
Een nadere blik op de waterstroom in nanobuisjes maakte de zaken nog ingewikkelder. In 2016 natuurkundige Lydéric Bocquet van de Ecole Normale Supérieure in Parijs en zijn collega's voerden experimenten uit die aantoonden dat water dat onder druk door koolstofnanobuisjes stroomt sneller wordt naarmate de buisdiameter kleiner wordt dan ongeveer 100 nm (NATUUR 537 210). Met andere woorden: nanobuisjes lijken gladder naarmate ze kleiner worden. Maar voor nanobuisjes gemaakt van boornitride waren de stroomsnelheden helemaal niet afhankelijk van de buisdiameter, wat precies is zoals je zou verwachten van eenvoudige klassieke modellen.
Koolstofnanobuisjes zijn gemaakt van concentrische lagen grafeen, die bestaan uit koolstofatomen gerangschikt in een 1D-honingraatrooster. Grafeenplaten zijn elektrisch geleidend – ze hebben mobiele elektronen – terwijl boornitride isolerend is, ondanks dat ze ook een hexagonale roosterstructuur hebben.
Dit verschil deed Bocquet en collega's vermoeden dat het onverwachte gedrag op de een of andere manier verband zou kunnen houden met de elektronentoestanden in de buiswanden. Om het mysterie nog groter te maken, hebben andere experimenten aangetoond dat water sneller door kanalen op nanoschaal van grafeen stroomt dan door kanalen van grafiet – wat niets anders is dan gestapelde lagen grafeen. De concentrische lagen grafeen in een koolstofnanobuisje geven ze een grafietachtige structuur, dus dit zou de sleutel kunnen zijn om te begrijpen hoe water door de nanobuisjes wordt getransporteerd.
Het oplossen van deze prikkelende theoretische puzzel zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor het praktische gebruik van nanobuismembranen. “Dergelijke stromen vormen de kern van allerlei processen in de membraanwetenschap”, zegt Nikita Kavokin, een natuurkundige aan de Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz, Duitsland. “We willen materialen kunnen maken die beter presteren op het gebied van waterdoorlatendheid en ionenselectiviteit.”
In 2022 stelde Bocquet samen met een chemicus een oplossing voor Marie-Laure Bocquet en Kavokine (die toen bij de ENS werkte) – het idee van kwantumwrijving (NATUUR 602 84). Ze voerden aan dat water dat over grafiet stroomt, kan worden vertraagd door een soort weerstand die ontstaat door de interactie van ladingsfluctuaties in het water met golfachtige excitaties in de mobiele elektronen van de grafeenplaten.
Op het eerste gezicht lijkt het onwaarschijnlijk dat zeer lichte elektronen een interactie aangaan met veel zwaardere atomen en moleculen, aangezien ze met zulke verschillende snelheden bewegen. “Het naïeve idee is dat elektronen veel sneller bewegen dan watermoleculen,” zegt Kavokine, “dus ze zullen nooit dynamisch met elkaar praten.”
Het grote verschil in tijdschalen tussen de bewegingen van elektronen en atomen ligt immers aan de basis van de Born-Oppenheimer benadering, waarmee we de elektronische toestanden van atomen en moleculen kunnen berekenen zonder ons zorgen te hoeven maken over het effect van atomaire bewegingen. Zoals Bocquet toegeeft, toen hij en zijn collega's voor het eerst besloten de mogelijkheid van een dergelijke interactie te onderzoeken, "begonnen we met zeer vage ideeën en niet optimistisch".
Maar toen de onderzoekers de berekeningen deden, ontdekten ze dat er een manier was waarop de elektronen in grafiet en de moleculen in water elkaar konden voelen. Dat komt omdat de thermische bewegingen van watermoleculen van plaats tot plaats kortstondige verschillen in dichtheid veroorzaken. En omdat watermoleculen polair zijn – ze hebben een asymmetrische verdeling van de elektrische lading – veroorzaken deze dichtheidsfluctuaties overeenkomstige ladingsfluctuaties die Debye-modi worden genoemd in de vloeistof. De elektronenwolk in grafiet vertoont ook golfachtige ladingsfluctuaties, die zich gedragen als quasideeltjes die bekend staan als ‘plasmonen’ (figuur 2).
Volgens statistisch natuurkundige Giancarlo Franzese van de Universiteit van Barcelona, is de sleutel tot het begrijpen van kwantumwrijving het erkennen dat de eigenschappen van water moeten worden behandeld als een probleem met meerdere lichamen: de fluctuaties die de Debye-modi veroorzaken zijn collectief, en niet simpelweg de som van de eigenschappen van één molecuul.
2 Aan momentum winnen
Wanneer water over een grafeen- of grafietoppervlak stroomt, koppelen de elektronische excitaties, plasmonen in het koolstofrooster, zich aan de dichtheidsschommelingen in de vloeistof, wat betekent dat momentum en energie tussen de twee kunnen worden overgedragen.
Bocquet en collega's ontdekten dat zowel plasmongolven in grafiet- als Debye-modus in water kunnen voorkomen met frequenties van ongeveer enkele biljoenen per seconde – in het terahertz-bereik. Dit betekent dat er een resonantie tussen de twee kan ontstaan, waardoor de een door de ander kan worden opgewonden, net zoals het luid zingen van een noot een ongedempte pianosnaar in trilling kan brengen als deze dezelfde toonhoogte heeft.
Op deze manier kan water dat over een grafietoppervlak stroomt momentum overbrengen naar de plasmonen in het grafiet en daardoor worden vertraagd, waardoor weerstand ontstaat. Met andere woorden, de Born-Oppenheimer-benadering faalt hier: een effect dat Bocquet “een enorme verrassing” noemt.
Cruciaal is dat de plasmonen in grafiet die het sterkst aan het water koppelen, worden veroorzaakt door elektronen die tussen de gestapelde grafeenvellen springen. Ze komen daarom niet voor in losse vellen grafeen (figuur 3). Dat, zo dachten Bocquet en collega's, zou verklaren waarom water langzamer over grafiet stroomt dan over grafeen – omdat er alleen in het eerste geval sprake is van sterke kwantumwrijving.
3 Elektronenhoppen
Een schema van de structuur van grafiet en de tussenlaagplasmonen die geassocieerd zijn met sterke kwantumwrijving. De subroosters “A” en “B” karakteriseren de grafietstructuur, waarbij “A”-atomen direct tussen atomen in de aangrenzende lagen zitten. De plasmonmodi in grafiet die het sterkst gekoppeld zijn aan de ladingsschommelingen in water worden veroorzaakt doordat elektronen tussen de grafeenlagen springen. Hier beschrijven de bindingsparameters de energie die nodig is om elektronen te laten tunnelen tussen aangrenzende of op een na dichtstbijzijnde vellen.
Maar zou dit verklaren hoe de stroomsnelheid van water in een koolstofnanobuisje afhangt van de buisdiameter? In grote nanobuisjes met diameters boven ongeveer 100 nm, waarbij de wanden een relatief lage kromming hebben, is de koppeling van de elektronische toestanden tussen de gestapelde grafeenlagen vrijwel hetzelfde als bij normaal grafiet met vlakke platen, dus de kwantumwrijving die water ondervindt De stroming is op maximale sterkte.
Maar naarmate de buizen smaller worden en hun wanden sterker gebogen worden, worden de elektronische interacties tussen de lagen in hun wanden zwakker en gedragen de lagen zich meer als onafhankelijke grafeenvellen. Dus onder een diameter van ongeveer 100 nm neemt de kwantumwrijving af, en als de buizen smaller zijn dan ongeveer 20 nm is er helemaal geen – de buizen zijn net zo glad als de klassieke theorieën voorspellen.
Het is nogal bizar dat er in dit geval minder ‘kwantumheid’ in het systeem lijkt te zitten, naarmate het kleiner wordt.
“Het werk van Lydéric is superspannend”, zegt Angelos Michaelides, een theoretisch chemicus uit de University of Cambridge in Groot-Brittannië, waarvan de gedetailleerde computersimulaties van het grensvlak tussen water en grafeen bevestigden dat kwantumwrijving optreedt (Nano lett. 23 580).
Een van de vreemde kenmerken van kwantumwrijving is dat deze, in tegenstelling tot zijn klassieke tegenhanger, niet afhankelijk is van direct contact tussen de twee substanties in relatieve beweging. Kwantumwrijving zou het water vertragen, zelfs als er een dunne vacuümlaag tussen het water en de koolstofnanobuis zou zitten. Sandra Trojan van het California Institute of Technology in Pasadena, die de vloeistofmechanica van grensvlakken bestudeert, zegt dat deze ‘wrijving op afstand’ verband houdt met een veel eerder idee dat in 1989 werd voorgesteld door de Russische natuurkundige Leonid Levitov (EPL 8 499).
Fluctuaties in de elektronenverdeling rond atomen zorgen ervoor dat neutrale atomen, moleculen en materialen een zwakke elektrostatische kracht op elkaar kunnen uitoefenen, de zogenaamde Van der Waals-kracht. Levitov voerde aan dat dit een belemmering zou kunnen veroorzaken voor de langs elkaar bewegende objecten, zelfs als ze van elkaar gescheiden zijn door een vacuüm. “Levitov zette de hele conceptuele bal in beweging door te stellen dat kwantumeffecten die op afstand werken een wrijvingskracht kunnen genereren zonder direct fysiek contact”, zegt Troian.
Loodgieterswerk op nanoschaal
In theorie klinkt het allemaal goed, maar kan het idee experimenteel worden getest? Om dat te doen, heeft Kavokine samengewerkt met Mischa Bonn, ook in Mainz, een expert in het gebruik van spectroscopie om de dynamiek van water te onderzoeken. Bonn geeft toe dat hij aanvankelijk sceptisch was. "Ik dacht: jongens, dit is een heel coole theorie, maar je kunt het onmogelijk zien bij kamertemperatuur." Maar hij stemde ermee in om het eens te proberen.
“Wrijving is momentumoverdracht”, legt Bonn uit. “Maar hoe kunnen we dat meten? Nou, ik kan de energieoverdracht meten – dat is wat we doorgaans doen bij spectroscopie.” Daarom herschreef Kavokine de theorie voor kwantumwrijving zodat deze de energieoverdracht kwantificeerde, in plaats van de momentumoverdracht. Vervolgens gingen ze op zoek of ze een dergelijke energieoverdracht tussen de elektronen- en waterdynamiek konden ontdekken.
De berekeningen voorspelden dat kwantumwrijving zwakker is in grafeen dan in grafiet, maar het team van Bonn bedacht een experiment met grafeen omdat ze de elektronendynamica ervan al hadden bestudeerd. Bonn legt uit dat de grafeenmonolaag een plasmon in het vlak heeft waaraan de waterfluctuaties kunnen koppelen, dus kwantumwrijving zou nog steeds aanwezig moeten zijn, hoewel het een zwakker effect zal hebben dan in grafiet.
De onderzoekers gebruikten optische laserpulsen om de elektronen te exciteren in een enkele laag grafeen ondergedompeld in water, waardoor in feite de ‘elektronische temperatuur’ abrupt werd verhoogd, zodat deze uit evenwicht was met het water (Natuur Nanotechnologie. 18 898). “Er is een bepaalde intrinsieke koeltijd”, zegt Bonn – dit wordt beschouwd als de koelsnelheid in een vacuüm. "Maar als er een aanzienlijke energieoverdracht plaatsvindt [tussen de grafeenplasmonen en de Debye-modi van water], dan zou die afkoelingssnelheid moeten toenemen als er water aanwezig is."
En dat is precies wat ze zagen. Naarmate de elektronen afkoelen, neemt hun vermogen om licht in het terahertz-frequentiebereik te absorberen toe. Door de absorptie van terahertz-pulsen te volgen die op verschillende tijdstippen na de aanvankelijke opwindende laserpuls werden afgevuurd, konden Bonn en collega's de afkoelsnelheid afleiden. In dit geval leek er sprake te zijn van energieoverdracht tussen het water en de elektronen – een kenmerk van kwantumwrijving – zelfs voor slechts een monolaag grafeen (figuur 4).
4 Op zoek naar kwantumwrijving
Een techniek genaamd "terahertz-spectroscopie" werd gebruikt om te zoeken naar kwantumwrijving. Deze techniek meet de afkoelsnelheid van een materiaal (in dit geval een vel grafeen) nadat het is verwarmd door een laserpuls. Naarmate de thermische excitatie afneemt, verandert het vermogen van het materiaal om straling te absorberen. Door de absorptie van een reeks terahertz-pulsen te monitoren, wordt de afkoelsnelheid berekend. Terahertz-spectroscopie kan worden uitgevoerd in een vacuüm of in een vloeistofbad. Als de aanwezigheid van een vloeistof ervoor zorgt dat het grafeen sneller afkoelt dan in het vacuüm, duidt dit op kwantumwrijving.
Wanneer het grafeen daarentegen werd ondergedompeld in methanol of ethanol, was de afkoelsnelheid van de elektronen langzamer dan in een vacuüm. Dit zijn polaire vloeistoffen, maar ze hebben geen Debye-modi op de juiste frequenties, en ze remmen alleen maar de thermische relaxatie van de elektronen.
‘Mijn aanvankelijke instinct klopte niet,’ geeft Bonn vrolijk toe, ‘dus het was een zeer aangename verrassing toen het werkte.’ Maar hoewel hij zegt dat de resultaten kwantitatief consistent zijn met de theoretische voorspellingen, zijn verdere experimenten nodig om dit te bevestigen. Bovendien hebben ze tot nu toe alleen gekeken naar platte grafeenplaten die in contact komen met bulkwater. “We willen heel graag naar nano-beperkt water gaan”, zegt hij – een uitbreiding waar ze al mee zijn begonnen.
Voorbij een droom
Kan kwantumwrijving goed worden gebruikt? Kavokine hoopt van wel en heeft de term ‘kwantumloodgieterswerk’ bedacht om de inspanningen daartoe te beschrijven. “We kunnen zien hoe mechanisch werk [zoals vloeistofstroom] rechtstreeks kan communiceren met elektronische beweging”, zegt Bocquet. “Als je bijvoorbeeld een vloeistof beweegt, kun je een elektronische stroom opwekken.”
De onderzoekers denken nu na over hoe ze de directe omzetting van energie tussen mechanisch werk en elektronenbeweging kunnen benutten – bijvoorbeeld door de energie van afvalstromen te oogsten om elektronische stromen te genereren, of door elektronische controle te gebruiken om de stroomsnelheden te veranderen en zo kleppen op nanoschaal te creëren of pompen. “Dat is niet onmogelijk”, getuigt Bonn.
Kavokine wijst erop dat biologische systemen – dankzij de fijne structurele afstembaarheid van eiwitten – zeer goed zijn in het controleren van stromen op zeer kleine schaal. Hoewel hij het “onwaarschijnlijk” vindt dat iemand die mate van structurele afstembaarheid zou kunnen bereiken, “laat [ons werk] zien dat we in plaats daarvan kunnen spelen met de elektronische afstembaarheid om vergelijkbare functies te bereiken met heel verschillende fysica” – wat hij een “anti-biomimetische route” noemt. ”om nano-engineering te laten stromen.
Het begrijpen van kwantumwrijving kan nuttig zijn bij het maken van materialen met lage wrijving, zegt Franzese. “Smeermiddelen worden vaak als oplossing gebruikt, maar veel ervan zijn niet duurzaam”, zegt hij. Daarom zou het ontwerpen van een materiaal met intrinsiek lage wrijving een betere optie zijn. Bovendien zou de aanpak waarbij de aard van het grensvlak tussen water en vaste stof wordt beschouwd als een probleem met meerdere lichamen “implicaties kunnen hebben op andere gebieden, zoals het filteren en scheiden van vloeistofmengsels”.
Koud: hoe natuurkundigen deeltjes leerden manipuleren en verplaatsen met laserkoeling
Ondertussen onderzoeken Michaelides en Bocquet het idee om de elektronische excitaties van een vel grafiet als tussenpersoon te gebruiken om twee stromen aan weerszijden ervan te laten communiceren, zodat de een de ander zou kunnen induceren: wat zij flowtunneling noemen. Uit hun simulaties blijkt dat het in principe mogelijk moet zijn.
“Ik voorzie veel belangrijke toepassingen van dit werk [op het gebied van kwantumwrijving]”, zegt Troian, “variërend van biologische systemen tot systemen die betrekking hebben op membraangebaseerde scheiding, ontzilting, vloeibare batterijen, nanomachines en meer.”
Ongeacht wat kwantumloodgieters uiteindelijk produceren, zoals Bocquet netjes concludeert, “het is een heel leuke speeltuin”.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
