Nanoakışkanlar suyu arıtmak, enerji üretmek ve nano ölçekli makineler inşa etmek için kullanılabilir. Ancak su bir karbon nanotüp içinden aktığında, klasik akışkanlar mekaniği bozulur ve araştırmacıların "kuantum sürtünmesi" olarak adlandırılan bir etkiye atfettiği kafa karıştırıcı deneysel bulgulara yol açar. Philip Topu açıklıyor
Damlayan bir duşun altında durup düşük su basıncınızdan yakınıyorsanız, arkadan yapılan bir hesaplama size su viskozitesi, basınç ve su borularınızın boyutu arasındaki ilişkiyi verecektir. Borularınız birkaç mikrona kadar küçültülmüş olsaydı, su ile borunun kendisi arasında ne kadar sürtünme olduğunu da bilmeniz gerekirdi ki bu, mikro ölçekte önemli hale gelir.
Peki borularınız aynı anda yalnızca birkaç su molekülünün geçebileceği kadar dar olsaydı ne olurdu? Nano ölçekli su tesisatı hem pratik hem de imkansız gibi görünse de, aslında karbon nanotüpler sayesinde inşa edebileceğimiz bir şey. Kısa bir süre sonra Japon fizikçi Sumio Iijima 1991'de çok duvarlı karbon nanotüpleri keşfetti (Tabiat 354 56), araştırmacılar bu küçük yapıların sıvıları emmek ve taşımak için moleküler ölçekte tüpler olarak kullanılıp kullanılamayacağını merak etmeye başladılar.
Karbon nanotüplerin suyu iten duvarları var; bu da bilim adamlarının suyun bu yapılardan neredeyse sürtünmesiz bir şekilde geçebileceğini düşünmesine neden oluyor. Böylesine verimli bir akışla, nanotüplerin suyun tuzdan arındırılması, su saflaştırılması ve diğer "nanoakışkan" teknolojiler için kullanılmasından bahsediliyordu.
Standart akışkanlar dinamiğine göre, akan bir sıvı ile boru duvarı arasındaki sürtünmenin, boru daraldıkça değişmemesi gerekir. Ancak deneyler, su bir karbon nanotüp içinden aktığında tüpün kayganlığının çapına bağlı olduğunu göstermiştir.
Nano ölçekte akışkanlar mekaniği yasalarının, su ve karbon arasındaki etkileşimlerin kuantum mekaniği yönleri tarafından yönetildiği ortaya çıktı.
Nano ölçekte akışkanlar mekaniği yasalarının, su ve karbon arasındaki etkileşimlerin kuantum mekaniği yönleri tarafından yönetildiği ve "kuantum sürtünmesi" adı verilen yeni bir olguya yol açabileceği ortaya çıktı. Sürtüşme çoğu zaman bir sıkıntıdır, ancak bunun bir sorun mu yoksa bir fırsat mı olduğu bizim yaratıcılığımıza bağlıdır.
Nano ölçekli akış sensörleri geliştirmek veya nanoakışkanlar için ultra küçük valfler yapmak için kuantum sürtünmesinden yararlanılabilir. Oda sıcaklığında bile işe yarayan bu şaşırtıcı kuantum etkisinin keşfi, hem pratik nanoteknoloji uygulamaları hem de teorik moleküler fizik için bir oyuncak kutusunun kapısını açtı. “Kuantum tesisatçıları” için, içeride ne olduğunu bulmanın henüz başlangıcındayız.
Kaygan tüpler
Hikaye ciddi anlamda 2000'li yılların başında, karbon nanotüplerden akan suyun bilgisayar simülasyonlarıyla başlıyor (Tabiat 438 44 ve Tabiat 414 188), su moleküllerinin gerçekten de tüp duvarını geçerek çok düşük sürtünmeyle hareket ettiğini gösterdi. Bu, hayvan ve bitki hücrelerindeki su seviyelerini düzenleyen özel nano ölçekli protein kanallarından bile daha hızlı, etkileyici akış hızları yaratır.
tarafından gerçekleştirilen diğer simülasyonlar Ben Corry at Avustralya Ulusal Üniversitesi, nanotüplerin çapı yalnızca birkaç angstrom ise, yani çapa yalnızca birkaç su molekülü sığacak şekilde, yapıların tuzları filtreleyebileceğini öne sürdü (J. Fizik Kimya B 112 1427). Bunun nedeni, çözünmüş tuz iyonlarının, tüpten geçemeyecek kadar büyük olması gereken, su moleküllerinden oluşan bir "hidrasyon kabuğu" ile çevrelenmiş olmasıdır. Bu bulgu, düşük sürtünmenin yüksek su akış hızlarını sağladığı, hizalanmış nanotüp dizilerinden tuzdan arındırma membranları oluşturma olasılığını artırdı.
Bu tür membranlar üzerinde yapılan ilk deneyler (Bilim 312 1034) 2000'li yıllarda Olgaca Bakajinadlı kişinin grubu Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı Kaliforniya'da umut verici bir gelişme görüldü (Şekil 1). Ancak hepsi aynı boyutta olan nanotüplerle sağlam, uygun maliyetli membranlar üretmenin pratikliği oldukça yavaş ilerlemeye yol açtı.
1 Hız ihtiyacı
Grafenin hidrofobik yüzeyi, onu düşük sürtünmeli nano ölçekli borular için çekici bir malzeme haline getiriyor, ancak akışın aynı zamanda nanotüpün boyutuna da duyarlı olduğu ortaya çıktı.
Nanotüplerdeki su akışına daha yakından bakmak işleri daha da karmaşık hale getirdi. 2016 yılında fizikçi Lyderic Bocquet arasında Ecole Normale Supérieure Paris'te ve çalışma arkadaşları, karbon nanotüplerden basınç altında akan suyun, tüp çapı yaklaşık 100 nm'den küçüldükçe daha hızlı aktığını gösteren deneyler gerçekleştirdiler (Tabiat 537 210). Başka bir deyişle nanotüpler küçüldükçe daha kaygan görünürler. Ancak bor nitrürden yapılan nanotüpler için akış hızları boru çapına hiç bağlı değildi; bu da tıpkı basit klasik modellerden beklendiği gibi.
Karbon nanotüpleri, 1D bal peteği şeklinde düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan eşmerkezli grafen katmanlarından yapılır. Grafen tabakaları elektriksel olarak iletkendir (hareketli elektronlara sahiptirler), oysa bor nitrür altıgen bir kafes yapısına sahip olmasına rağmen yalıtkandır.
Bu fark, Bocquet ve meslektaşlarının beklenmedik davranışın bir şekilde tüpün duvarlarındaki elektron durumlarıyla bağlantılı olabileceğinden şüphelenmesine neden oldu. Gizemi daha da artırmak için, diğer deneyler suyun, grafenden yapılmış nano ölçekli kanallardan, grafen katmanlarından oluşan grafitten yapılmış kanallardan daha hızlı aktığını gösterdi. Bir karbon nanotüpteki eşmerkezli grafen katmanları onlara grafit benzeri bir yapı kazandırır, dolayısıyla bu, suyun nanotüpler boyunca nasıl taşındığını anlamanın anahtarı olabilir.
Bu cezbedici teorik bulmacanın çözülmesi, nanotüp membranların pratik kullanımları açısından önemli sonuçlar doğurabilir. "Bu tür akışlar, membran bilimindeki her türlü sürecin merkezinde yer alıyor" diyor Nikita Kavokine, bir fizikçi Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü Mainz, Almanya'da. "Su geçirgenliği ve iyon seçiciliği açısından daha iyi performans gösteren malzemeler yapabilmek istiyoruz."
2022'de Bocquet kimyagerlere bir çözüm önerdi Marie-Laure Bocquet ve Kavokine (o zamanlar ENS'deydi) – kuantum sürtünmesi kavramı (Tabiat 602 84). Grafit üzerinden akan suyun, sudaki yük dalgalanmalarının grafen tabakalarının hareketli elektronlarındaki dalga benzeri uyarılmalarla etkileşimi tarafından yaratılan bir tür sürükleme nedeniyle yavaşlatılabileceğini savundular.
İlk bakışta, çok hafif elektronların, çok farklı hızlarda hareket ettikleri göz önüne alındığında, çok daha ağır atom ve moleküllerle etkileşime girmeleri pek mümkün görünmüyor. Kavokine şöyle diyor: "Saf fikir, elektronların su moleküllerinden çok daha hızlı hareket etmesi, dolayısıyla birbirleriyle asla dinamik olarak konuşmamaları."
Elektronların ve atomların hareketleri arasındaki zaman ölçeğindeki büyük fark sonuçta Born-Oppenheimer yaklaşımıBu, atom hareketlerinin etkisi konusunda endişelenmemize gerek kalmadan atomların ve moleküllerin elektronik durumlarını hesaplamamıza olanak tanır. Bocquet'in de itiraf ettiği gibi, kendisi ve çalışma arkadaşları böyle bir etkileşimin olasılığını araştırmaya ilk karar verdiklerinde, "çok belirsiz fikirlerle başladık ve iyimser değildik".
Ancak araştırmacılar hesaplamaları yaptığında, grafitteki elektronların ve sudaki moleküllerin birbirini hissetmesinin bir yolu olduğunu buldular. Bunun nedeni, su moleküllerinin termal hareketlerinin, bir yerden diğerine kısa süreli yoğunluk farklılıkları yaratmasıdır. Su molekülleri kutupsal olduğundan (elektrik yükünün asimetrik bir dağılımına sahiptirler) bu yoğunluk dalgalanmaları, sıvı içinde Debye modları adı verilen karşılık gelen yük dalgalanmalarına neden olur. Grafitteki elektron bulutu ayrıca "plazmon" olarak bilinen yarı parçacıklar gibi davranan dalga benzeri yük dalgalanmaları da sergiler (şekil 2).
İstatistik fizikçilerine göre Giancarlo Franzese arasında Barselona ÜniversitesiKuantum sürtünmesini anlamanın anahtarı, suyun özelliklerinin çok cisimli bir problem olarak ele alınması gerektiğini anlamaktır: Debye modlarına neden olan dalgalanmalar, yalnızca tek molekül özelliklerinin toplamı değil, kolektiftir.
2 Hız kazanıyor
Su bir grafen veya grafit yüzey üzerinden aktığında, karbon kafes içindeki plazmon adı verilen elektronik uyarılar, sıvıdaki yoğunluk dalgalanmalarıyla eşleşir; bu, ikisi arasında momentum ve enerjinin aktarılabileceği anlamına gelir.
Bocquet ve meslektaşları, hem grafitteki plazmon dalgalarının hem de sudaki Debye modlarının, terahertz aralığında saniyede yaklaşık birkaç trilyon frekansta meydana gelebileceğini buldu. Bu, ikisi arasında bir rezonans olabileceği ve böylece birinin diğeri tarafından heyecanlanabileceği anlamına gelir; tıpkı bir notayı yüksek sesle söylemenin, aynı perdeye sahipse sönümsüz bir piyano telinin titreşmesine neden olması gibi.
Bu şekilde, bir grafit yüzey üzerinden akan su, momentumu grafit içindeki plazmonlara aktarabilir ve böylece yavaşlayarak sürüklenmeye maruz kalabilir. Başka bir deyişle Born-Oppenheimer yaklaşımı burada bozuluyor: Bocquet'in "büyük bir sürpriz" olarak adlandırdığı bir etki.
En önemlisi, suya en güçlü şekilde bağlanan grafit içindeki plazmonlar, yığılmış grafen tabakaları arasında sıçrayan elektronlardan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle tek tek grafen tabakalarında oluşmazlar (şekil 3). Bocquet ve meslektaşları bunun suyun grafit üzerinde neden grafenden daha yavaş aktığını açıklayabileceğini düşündüler; çünkü yalnızca ilk durumda güçlü kuantum sürtünmesi vardı.
3 Elektron atlamalı
Grafitin yapısının ve güçlü kuantum sürtünmesiyle ilişkili katmanlar arası plazmonların şeması. "A" ve "B" alt örgüleri, "A" atomlarının doğrudan komşu katmanlardaki atomların arasında bulunduğu grafit yapısını karakterize eder. Sudaki yük dalgalanmalarına en güçlü şekilde bağlanan grafitteki plazmon modları, grafen tabakaları arasında sıçrayan elektronlardan kaynaklanır. Burada bağlanma parametreleri, elektronların bitişik veya ikinci en yakın tabakalar arasında tünel açması için gereken enerjiyi tanımlar.
Peki bu, bir karbon nanotüpteki suyun akış hızının tüpün çapına nasıl bağlı olduğunu açıklayabilir mi? Çapları yaklaşık 100 nm'nin üzerinde olan ve duvarların nispeten düşük eğriliğe sahip olduğu büyük nanotüplerde, yığılmış grafen katmanları arasındaki elektronik durumların eşleşmesi, düz tabakalı normal grafitte olduğu gibi hemen hemen aynıdır; dolayısıyla suyun yaşadığı kuantum sürtünmesi akış maksimum güçtedir.
Ancak tüpler daraldıkça ve duvarları daha güçlü bir şekilde kavisli hale geldikçe, duvarlarındaki katmanlar arasındaki elektronik etkileşimler zayıflıyor ve katmanlar daha çok bağımsız grafen tabakaları gibi davranıyor. Yani çapın yaklaşık 100 nm'nin altında kuantum sürtünmesi azalır ve eğer tüpler yaklaşık 20 nm'den daha darsa hiç yoktur; tüpler klasik teorilerin öngördüğü kadar kaygandır.
Oldukça tuhaf bir şekilde, bu durumda, sistem küçüldükçe, sistemde daha az "kuantumluk" var gibi görünüyor
"Lydéric'in çalışmaları son derece heyecan verici" diyor Angelos Michaelides, teorik kimyager University of Cambridge Su-grafen arayüzünün ayrıntılı bilgisayar simülasyonları kuantum sürtünmesinin meydana geldiğini doğrulayan Birleşik Krallık'ta (Nano Letonya. 23 580).
Kuantum sürtünmesinin garip özelliklerinden biri, klasik benzerinden farklı olarak, göreceli hareket halindeki iki madde arasındaki doğrudan temasa dayanmamasıdır. Kuantum sürtünmesi, karbon nanotüp ile arasında ince bir vakum tabakası olsa bile suyu yavaşlatacaktır. Sandra Troian itibaren California Institute of Technology Arayüzlerin akışkanlar mekaniğini inceleyen Pasadena'daki bu "uzaktan sürtünmenin" Rus fizikçi Leonid Levitov tarafından 1989'da öne sürülen çok daha eski bir fikirle ilişkili olduğunu söylüyor (EPL 8 499).
Atomların etrafındaki elektron dağılımındaki dalgalanmalar, nötr atomların, moleküllerin ve malzemelerin birbirlerine Van der Waals kuvveti adı verilen zayıf bir elektrostatik kuvvet uygulayabileceği anlamına gelir. Levitov, bunun, boşlukla ayrılmış olsalar bile, birbirinin yanından geçen nesneler üzerinde bir sürüklenme yaratabileceğini savundu. Troian, "Levitov, uzaktan etki eden kuantum etkilerinin doğrudan fiziksel temas olmadan sürtünme kuvveti oluşturabileceğini öne sürerek tüm kavramsal topu harekete geçirdi" diyor.
Nano ölçekte tesisat
Teoride her şey kulağa hoş geliyor ama fikir deneysel bir teste tabi tutulabilir mi? Bunu yapmak için Kavokine, Mischa Bonn, yine Mainz'da, suyun dinamiklerini araştırmak için spektroskopiyi kullanma konusunda uzman. Bonn ilk başta şüpheci olduğunu itiraf ediyor. "Ben de şöyle düşündüm arkadaşlar, bu gerçekten harika bir teori, ancak bunu oda sıcaklığında görmenizin imkânı yok." Ama denemeyi kabul etti.
Bonn, "Sürtünme momentum aktarımıdır" diye açıklıyor. “Fakat bunu nasıl ölçebiliriz? Enerji transferini ölçebiliyorum; spektroskopide genellikle yaptığımız şey budur." Böylece Kavokine, kuantum sürtünmesi teorisini momentum aktarımı yerine enerji aktarımını ölçecek şekilde yeniden yazdı. Daha sonra elektron ve su dinamikleri arasındaki böyle bir enerji transferini tespit edip edemeyeceklerini görmek için yola çıktılar.
Hesaplamalar, grafendeki kuantum sürtünmesinin grafite göre daha zayıf olduğunu öngördü, ancak Bonn'un ekibi grafenle bir deney tasarladı çünkü zaten elektron dinamiklerini incelemişlerdi. Bonn, grafen tek katmanının su dalgalanmalarının bağlanabileceği düzlem içi bir plazmona sahip olduğunu, dolayısıyla kuantum sürtünmesinin grafitten daha zayıf bir etki olmasına rağmen hala mevcut olması gerektiğini açıklıyor.
Araştırmacılar, suya batırılmış tek bir grafen tabakasındaki elektronları uyarmak için optik lazer darbeleri kullandılar; bu da, "elektronik sıcaklığı" aniden yükselterek su ile dengenin dışına çıkmasını sağladı.Doğa Nanoteknoloji. 18 898). Bonn, "Belirli bir soğuma süresi var" diyor; bu, vakumdaki soğuma hızı olarak kabul ediliyor. "Fakat eğer (grafen plazmonları ve suyun Debye modları arasında) kayda değer bir enerji transferi varsa o zaman su mevcut olduğunda soğuma hızının artması gerekir."
Ve gördükleri de tam olarak buydu. Elektronlar soğudukça terahertz frekans aralığındaki ışığı absorbe etme yetenekleri artar. Bonn ve meslektaşları, ilk heyecan verici lazer darbesinden sonra farklı zamanlarda ateşlenen terahertz darbelerinin emilimini izleyerek soğuma oranını çıkarabildiler. Bu durumda, sadece tek bir grafen tabakası için bile su ile elektronlar arasında enerji transferi var gibi görünüyordu; kuantum sürtünmesinin bir işareti (şekil 4).
4 Kuantum sürtünmesinin araştırılması
Kuantum sürtünmesini araştırmak için “terahertz spektroskopisi” adı verilen bir teknik kullanıldı. Bu teknik, bir malzemenin (bu durumda bir grafen tabakasının) bir lazer darbesi ile ısıtıldıktan sonra soğuma hızını ölçer. Termal uyarım azaldıkça malzemenin radyasyonu absorbe etme yeteneği değişir. Bir dizi terahertz darbesinin emilimi izlenerek soğutma hızı hesaplanır. Terahertz spektroskopisi vakumda veya sıvı banyosunda gerçekleştirilebilir. Eğer bir sıvının varlığı grafenin vakumdakinden daha hızlı soğumasına neden oluyorsa, bu kuantum sürtünmesinin var olduğunu gösterir.
Buna karşılık, grafen metanol veya etanol içerisine daldırıldığında elektronların soğuma hızı vakumdakinden daha yavaştı. Bunlar polar sıvılardır ancak uygun frekanslarda Debye modları yoktur ve yalnızca elektronların termal gevşemesini engellerler.
Bonn neşeyle şunu itiraf ediyor: "İlk içgüdülerim yanlıştı, bu yüzden işe yaraması çok hoş bir sürprizdi." Ancak sonuçların niceliksel olarak teorik tahminlerle tutarlı olduğunu söylese de bunu kesinleştirmek için daha fazla deney yapılması gerekiyor. Dahası, şu ana kadar yalnızca suyla temas halindeki düz grafen tabakalarına baktılar. "Gerçekten nanosınırlı suya geçmek istiyoruz" diyor ve bu da zaten başlamış durumda.
Boş bir hayalin ötesinde
Kuantum sürtünmesi iyi bir şekilde kullanılabilir mi? Kavokine bunu umuyor ve bunu yapma çabalarını tanımlamak için "kuantum tesisatı" terimini türetmiş durumda. Bocquet, "Mekanik işin (sıvı akışı gibi) elektronik hareketle nasıl doğrudan iletişim kurabildiğini görebiliyoruz" diyor. "Örneğin, bir sıvıyı hareket ettirirseniz elektronik bir akım indükleyebilirsiniz."
Araştırmacılar artık mekanik iş ile elektron hareketi arasındaki enerjinin doğrudan dönüşümünden nasıl yararlanabileceklerini düşünüyorlar - örneğin, elektronik akımlar üretmek için atık akışlarının enerjisini toplayarak veya akış hızlarını değiştirmek ve böylece nano ölçekli valfler oluşturmak için elektronik kontrolü kullanarak veya pompalar. Bonn, "Bu imkansız değil" diye doğruluyor.
Kavokine, proteinlerin ince yapısal ayarlanabilirliği sayesinde biyolojik sistemlerin çok küçük ölçeklerde akışları kontrol etmede çok iyi olduğuna dikkat çekiyor. Herhangi birinin bu derecede yapısal ayarlanabilirliğe ulaşmasının "olası olmadığını" düşünse de, "[çalışmamız] bunun yerine, çok farklı fizikle benzer işlevleri başarmak için elektronik ayarlanabilirlik ile oynayabileceğimizi gösteriyor" - buna "anti-biyomimetik yol" adını veriyor ” nanomühendisliği akıtmak için.
Franzese, kuantum sürtünmesini anlamanın, düşük sürtünmeli malzemelerin yapımında yararlı olabileceğini söylüyor. "Yağlayıcılar genellikle bir çözüm olarak kullanılıyor, ancak bunların çoğu sürdürülebilir değil" diyor; dolayısıyla doğası gereği düşük sürtünmeye sahip bir malzeme tasarlamak daha iyi bir seçenek olabilir. Dahası, su-katı arayüzünün doğasını çok cisimli bir sorun olarak ele alma yaklaşımı, "sıvı karışımlarının filtrelenmesi ve ayrılması gibi diğer alanlarda da sonuçlara sahip olabilir".
Soğuk: Fizikçiler lazer soğutmayla parçacıkları manipüle etmeyi ve hareket ettirmeyi nasıl öğrendi?
Bu arada Michaelides ve Bocquet, bir grafit tabakasının elektronik uyarımlarını, her iki tarafındaki iki akışın iletişim kurmasına izin vermek için bir aracı olarak kullanma fikrini araştırıyorlar, böylece biri diğerini tetikleyebilir: akış tüneli dedikleri şey. Simülasyonları bunun prensipte mümkün olması gerektiğini gösteriyor.
Troian, "Bu çalışmanın [kuantum sürtünmesi üzerine] birçok önemli uygulamasını öngörüyorum" diyor ve ekliyor: "Biyolojik sistemlerden membran bazlı ayırma, tuzdan arındırma, sıvı piller, nanomakineler ve daha fazlasını içeren sistemlere kadar."
Kuantum tesisatçılarının sonuçta ne ürettiğine bakmaksızın, Bocquet'in net bir şekilde sonuçlandırdığı gibi, "bu çok güzel bir oyun alanı".
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
