Chất lỏng nano có thể được sử dụng để lọc nước, tạo ra năng lượng và chế tạo các máy móc có kích thước nano. Nhưng khi nước chảy qua ống nano carbon, cơ học chất lỏng cổ điển bị phá vỡ, dẫn đến những phát hiện thực nghiệm khó hiểu mà các nhà nghiên cứu cho là do một hiệu ứng gọi là “ma sát lượng tử”, như bóng Philip giải thích
Nếu bạn đang đứng dưới vòi sen nhỏ giọt và phàn nàn về áp suất nước thấp, phép tính tổng thể sẽ cho bạn mối quan hệ giữa độ nhớt của nước, áp suất và kích thước đường ống nước của bạn. Nếu đường ống của bạn được thu nhỏ lại rộng vài micron, bạn cũng cần biết có bao nhiêu ma sát giữa nước và đường ống, điều này trở nên quan trọng ở quy mô vi mô.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu đường ống của bạn quá hẹp đến mức chỉ một vài phân tử nước có thể lọt qua cùng một lúc? Mặc dù hệ thống ống nước có kích thước nano nghe có vẻ không thực tế và không thể thực hiện được, nhưng đó là thứ chúng ta thực sự có thể chế tạo được nhờ các ống nano carbon. Ngay sau đó nhà vật lý người Nhật Iijima Sumio phát hiện ra ống nano cacbon đa vách vào năm 1991 (Thiên nhiên 354 56), các nhà nghiên cứu bắt đầu tự hỏi liệu những cấu trúc nhỏ bé này có thể được sử dụng làm ống ở quy mô phân tử để hút và vận chuyển chất lỏng hay không.
Các ống nano carbon có thành ngăn nước, khiến các nhà khoa học cho rằng nước có thể lướt qua các cấu trúc này gần như không có ma sát. Với dòng chảy hiệu quả như vậy, người ta đã thảo luận về việc sử dụng ống nano để khử muối trong nước, lọc nước và các công nghệ “chất lỏng nano” khác.
Theo động lực học chất lỏng tiêu chuẩn, ma sát giữa chất lỏng chảy và thành ống sẽ không thay đổi khi đường ống ngày càng hẹp hơn. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng khi nước chảy qua ống nano carbon, độ trơn của ống phụ thuộc vào đường kính của nó.
Hóa ra ở cấp độ nano, các định luật cơ học chất lỏng bị chi phối bởi các khía cạnh cơ học lượng tử của sự tương tác giữa nước và carbon.
Hóa ra ở cấp độ nano, các định luật cơ học chất lỏng bị chi phối bởi các khía cạnh cơ học lượng tử của tương tác giữa nước và carbon, và có thể làm phát sinh một hiện tượng mới gọi là “ma sát lượng tử”. Ma sát thường là mối phiền toái, nhưng đó là vấn đề hay cơ hội ở đây còn phụ thuộc vào sự khéo léo của chúng ta.
Ma sát lượng tử có thể được khai thác để phát triển các cảm biến dòng chảy cỡ nano hoặc chế tạo các van siêu nhỏ cho chất lỏng nano. Việc phát hiện ra hiệu ứng lượng tử đáng ngạc nhiên này – thậm chí còn hoạt động ở nhiệt độ phòng – đã mở ra một hộp đồ chơi cho các ứng dụng công nghệ nano thực tế cũng như vật lý phân tử lý thuyết. Đối với “thợ sửa ống nước lượng tử”, chúng tôi chỉ mới bắt đầu tìm hiểu những gì bên trong.
Ống trơn
Câu chuyện bắt đầu một cách nghiêm túc vào đầu những năm 2000, khi máy tính mô phỏng dòng nước chảy qua ống nano carbon (Thiên nhiên 438 44 và Thiên nhiên 414 188) cho thấy các phân tử nước thực sự chuyển động với ma sát rất thấp qua thành ống. Điều này tạo ra tốc độ dòng chảy ấn tượng, thậm chí còn nhanh hơn thông qua các kênh protein chuyên dụng có kích thước nano giúp điều chỉnh mực nước trong tế bào động vật và thực vật.
Các mô phỏng khác được thực hiện bởi Ben Corry tại Đại học Quốc gia Úc (ANU), gợi ý rằng nếu các ống nano chỉ có bề ngang vài ångstrom – sao cho chỉ một vài phân tử nước nằm gọn trong đường kính – thì các cấu trúc có thể lọc ra muối (J. Vật lý. Hóa. B 112 1427). Đó là vì các ion muối hòa tan được bao quanh bởi một “lớp vỏ hydrat hóa” gồm các phân tử nước, lớp này phải quá lớn để đi qua ống. Phát hiện này đã nâng cao khả năng tạo ra các màng khử muối từ các mảng ống nano thẳng hàng, với độ ma sát thấp đảm bảo tốc độ dòng nước cao.
Những thí nghiệm ban đầu trên các màng như vậy (Khoa học 312 1034) vào những năm 2000 bởi Olgica Bakajinnhóm của tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California cho thấy nhiều hứa hẹn (hình 1). Nhưng tính thực tế của việc chế tạo các màng chắc chắn, tiết kiệm chi phí bằng các ống nano có cùng kích thước đã dẫn đến tiến độ khá chậm.
1 Cần tốc độ
Bề mặt kỵ nước của graphene khiến nó trở thành vật liệu hấp dẫn cho các ống có kích thước nano có độ ma sát thấp, nhưng hóa ra dòng chảy cũng nhạy cảm với kích thước của ống nano.
Nhìn kỹ hơn vào dòng nước trong ống nano khiến mọi việc trở nên phức tạp hơn. Năm 2016 nhà vật lý Lydéric Bocquet của Ecole Normale Supérieure ở Paris và các đồng nghiệp của ông đã tiến hành các thí nghiệm cho thấy rằng nước chảy dưới áp suất qua ống nano carbon sẽ nhanh hơn khi đường kính ống nhỏ hơn khoảng 100 nm (Thiên nhiên 537 210). Nói cách khác, các ống nano càng trở nên càng nhỏ thì càng có vẻ trơn trượt. Tuy nhiên, đối với các ống nano làm từ boron nitrit, tốc độ dòng chảy hoàn toàn không phụ thuộc vào đường kính ống, điều này đúng như người ta mong đợi từ các mô hình cổ điển đơn giản.
Các ống nano carbon được chế tạo từ các lớp graphene đồng tâm, bao gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong 1D. Các tấm graphene dẫn điện – chúng có các electron di động – trong khi boron nitride có tính cách điện, mặc dù cũng có cấu trúc mạng lục giác.
Sự khác biệt này khiến Bocquet và các đồng sự nghi ngờ rằng hành trạng bất ngờ đó có thể có mối liên hệ nào đó với các trạng thái electron trong thành ống. Để làm tăng thêm bí ẩn, các thí nghiệm khác cho thấy nước chảy xuống các kênh có kích thước nano làm bằng graphene nhanh hơn so với các kênh làm bằng than chì – vốn chỉ là các lớp graphene xếp chồng lên nhau. Các lớp graphene đồng tâm trong ống nano carbon mang lại cho chúng cấu trúc giống như than chì, vì vậy đây có thể là chìa khóa để tìm hiểu cách thức nước được vận chuyển qua các ống nano.
Việc giải quyết câu đố lý thuyết đầy thách thức này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc sử dụng màng ống nano trong thực tế. “Những dòng chảy như vậy là trung tâm của tất cả các loại quy trình trong khoa học về màng,” nói Nikita Kavokine, một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Polymer Max Planck ở Mainz, Đức. “Chúng tôi muốn có thể tạo ra những vật liệu hoạt động tốt hơn về khả năng thấm nước và độ chọn lọc ion”.
Năm 2022 Bocquet đề xuất một giải pháp với nhà hóa học Marie Laure Bocquet và Kavokine (lúc đó đang ở ENS) – khái niệm ma sát lượng tử (Thiên nhiên 602 84). Họ lập luận rằng nước chảy qua than chì có thể bị làm chậm lại bởi một loại lực cản được tạo ra bởi sự tương tác của các dao động điện tích trong nước với các kích thích dạng sóng trong các electron di động của các tấm graphene.
Thoạt nhìn, có vẻ như các electron rất nhẹ không thể tương tác với các nguyên tử và phân tử nặng hơn nhiều, vì chúng chuyển động với tốc độ khác nhau như vậy. Kavokine nói: “Ý tưởng ngây thơ là các electron chuyển động nhanh hơn nhiều so với các phân tử nước, vì vậy chúng sẽ không bao giờ trao đổi động với nhau”.
Sự khác biệt lớn nhất về khoảng thời gian giữa chuyển động của electron và nguyên tử xét cho cùng là cơ sở của Xấp xỉ Born–Oppenheimer, nó cho phép chúng ta tính toán trạng thái điện tử của các nguyên tử và phân tử mà không phải lo lắng về ảnh hưởng của chuyển động nguyên tử. Như Bocquet thừa nhận, khi anh và các đồng nghiệp lần đầu tiên quyết định khám phá khả năng tương tác như vậy, “chúng tôi đã bắt đầu với những ý tưởng rất mơ hồ và không mấy lạc quan”.
Nhưng khi các nhà nghiên cứu thực hiện tính toán, họ phát hiện ra rằng có một cách để các electron trong than chì và các phân tử trong nước cảm nhận được lẫn nhau. Đó là bởi vì chuyển động nhiệt của các phân tử nước tạo ra sự khác biệt về mật độ trong thời gian ngắn giữa nơi này với nơi khác. Và bởi vì các phân tử nước có tính phân cực – chúng có sự phân bố điện tích không đối xứng – những thăng giáng mật độ này tạo ra những thăng giáng điện tích tương ứng gọi là chế độ Debye trong chất lỏng. Đám mây điện tử trong than chì cũng thể hiện những thăng giáng điện tích dạng sóng, chúng hành xử giống như các giả hạt gọi là “plasmon” (hình 2).
Theo nhà vật lý thống kê Giancarlo người Franz của Đại học Barcelona, chìa khóa để hiểu ma sát lượng tử là nhận ra rằng các tính chất của nước phải được xử lý như một bài toán nhiều vật: các thăng giáng gây ra các mode Debye là tập thể, không chỉ đơn giản là tổng các tính chất của một phân tử đơn lẻ.
2 Lấy đà
Khi nước chảy qua bề mặt graphene hoặc than chì, các kích thích điện tử gọi là plasmon trong mạng carbon kết hợp với sự dao động mật độ trong chất lỏng, nghĩa là động lượng và năng lượng có thể được truyền giữa hai vật liệu.
Bocquet và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng cả hai sóng plasmon ở mode than chì và Debye trong nước đều có thể xảy ra với tần số khoảng vài nghìn tỷ mỗi giây – trong ngưỡng terahertz. Điều này có nghĩa là có thể có sự cộng hưởng giữa cả hai, do đó người này có thể bị người kia kích thích, giống như việc hát to một nốt nhạc có thể làm cho dây đàn piano không bị giảm chấn rung lên nếu nó có cùng cao độ.
Bằng cách này, nước chảy trên bề mặt than chì có thể truyền động lượng tới các plasmon bên trong than chì và do đó bị chậm lại, chịu lực cản. Nói cách khác, phép tính gần đúng Born–Oppenheimer bị phá vỡ ở đây: một hiệu ứng mà Bocquet gọi là “một bất ngờ lớn”.
Điều quan trọng là các plasmon trong than chì kết hợp mạnh nhất với nước là do các electron nhảy giữa các tấm graphene xếp chồng lên nhau. Do đó, chúng không xuất hiện ở các tấm graphene đơn lẻ (hình 3). Điều đó, Bocquet và các đồng nghiệp đã tìm ra, sẽ giải thích tại sao nước chảy trên than chì chậm hơn so với trên graphene – vì chỉ trong trường hợp trước mới có ma sát lượng tử mạnh.
3 Nhảy điện tử
Sơ đồ cấu trúc của than chì và các plasmon giữa các lớp có liên quan đến ma sát lượng tử mạnh. Mạng con “A” và “B” đặc trưng cho cấu trúc than chì, trong đó các nguyên tử “A” nằm trực tiếp giữa các nguyên tử trong các lớp lân cận. Các dạng plasmon trong than chì kết hợp mạnh mẽ nhất với các thăng giáng điện tích trong nước là do các electron nhảy giữa các tấm graphene. Ở đây, các tham số liên kết mô tả năng lượng cần thiết để các electron di chuyển giữa các tấm liền kề hoặc gần thứ hai.
Nhưng liệu nó có giải thích được tốc độ dòng nước trong ống nano carbon phụ thuộc vào đường kính ống như thế nào không? Trong các ống nano lớn có đường kính trên khoảng 100 nm, trong đó các thành ống có độ cong tương đối thấp, sự ghép nối của các trạng thái điện tử giữa các lớp graphene xếp chồng lên nhau giống như ở than chì thông thường với các tấm phẳng, do đó ma sát lượng tử mà nước gặp phải. dòng chảy đạt cường độ tối đa.
Nhưng khi các ống trở nên hẹp hơn và thành của chúng trở nên cong mạnh hơn, tương tác điện tử giữa các lớp trong thành của chúng trở nên yếu hơn và các lớp hoạt động giống như các tấm graphene độc lập hơn. Vì vậy, dưới đường kính khoảng 100 nm, ma sát lượng tử giảm, và nếu các ống hẹp hơn khoảng 20 nm thì không có gì cả – các ống trơn trượt như các lý thuyết cổ điển dự đoán.
Khá kỳ lạ là trong trường hợp này, dường như có ít “lượng tử” hơn trong hệ vì nó trở nên nhỏ hơn.
“Công việc của Lydéric cực kỳ thú vị,” nói Angelos Michaelides, một nhà hóa học lý thuyết từ Đại học Cambridge ở Anh, nơi mà các mô phỏng chi tiết trên máy tính của bề mặt tiếp xúc nước-graphene đã xác nhận rằng ma sát lượng tử xảy ra (Lá thư Nano. 23 580).
Một trong những đặc điểm kỳ lạ của ma sát lượng tử là, không giống như đối tác cổ điển của nó, nó không phụ thuộc vào sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai chất trong chuyển động tương đối. Ma sát lượng tử sẽ làm nước chảy chậm lại ngay cả khi có một lớp chân không mỏng giữa nó và ống nano carbon. Sandra Troian từ Viện Công nghệ California Pasadena, người nghiên cứu cơ học chất lỏng của các bề mặt, nói rằng “ma sát ở khoảng cách xa” này có liên quan đến một ý tưởng sớm hơn nhiều được đề xuất vào năm 1989 bởi nhà vật lý người Nga Leonid Levitov (EPL 8 499).
Sự dao động trong sự phân bố electron xung quanh nguyên tử có nghĩa là các nguyên tử, phân tử và vật liệu trung tính có thể tác dụng một lực tĩnh điện yếu lên nhau gọi là lực Van der Waals. Levitov lập luận rằng điều này có thể tạo ra lực cản lên các vật chuyển động qua nhau, ngay cả khi bị ngăn cách bởi chân không. “Levitov làm cho toàn bộ quả cầu khái niệm chuyển động bằng cách đề xuất rằng các hiệu ứng lượng tử tác dụng ở khoảng cách xa có thể tạo ra lực ma sát mà không cần tiếp xúc vật lý trực tiếp,” Troian nói.
Hệ thống nước có kích thước nano
Về mặt lý thuyết thì nghe có vẻ ổn, nhưng liệu ý tưởng này có thể được đưa vào thử nghiệm thực nghiệm không? Để làm được điều đó, Kavokine đã hợp tác với Mischa Bonn, cũng ở Mainz, một chuyên gia sử dụng quang phổ để thăm dò động lực học của nước. Lúc đầu, Bonn thừa nhận, anh tỏ ra hoài nghi. “Tôi nghĩ, các bạn, đây thực sự là một lý thuyết hay, nhưng bạn sẽ không thể nhìn thấy nó ở nhiệt độ phòng.” Nhưng anh ấy đã đồng ý thử.
Bonn giải thích: “Ma sát là sự truyền động lượng”. “Nhưng làm thế nào chúng ta có thể đo lường được điều đó? Ồ, tôi có thể đo sự truyền năng lượng – đó là điều chúng tôi thường làm trong quang phổ học.” Vì vậy Kavokine đã viết lại lý thuyết ma sát lượng tử để định lượng sự truyền năng lượng, chứ không phải sự truyền động lượng. Sau đó, họ bắt đầu xem liệu họ có thể phát hiện ra sự truyền năng lượng như vậy giữa động lực học của electron và nước hay không.
Các tính toán dự đoán rằng ma sát lượng tử ở graphene yếu hơn so với than chì, nhưng đội của Bonn đã nghĩ ra một thí nghiệm với graphene vì họ đã nghiên cứu động lực học electron của nó. Bonn giải thích rằng lớp đơn graphene có một plasmon trong mặt phẳng mà các dao động của nước có thể kết hợp với nhau, do đó ma sát lượng tử vẫn tồn tại, mặc dù nó sẽ có tác dụng yếu hơn so với than chì.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung laser quang học để kích thích các electron trong một tấm graphene ngâm trong nước, làm tăng đột ngột “nhiệt độ điện tử” đến mức nó mất cân bằng với nước (Thiên nhiên Công nghệ nano. 18 898). “Có một thời gian làm mát nội tại nhất định,” Bonn nói – đây được coi là tốc độ làm mát trong chân không. “Nhưng nếu có sự truyền năng lượng đáng kể [giữa các plasmon graphene và chế độ Debye của nước] thì tốc độ làm mát đó sẽ tăng lên khi có nước.”
Và đó chính xác là những gì họ đã thấy. Khi các electron nguội đi, khả năng hấp thụ ánh sáng ở dải tần số terahertz của chúng tăng lên. Bằng cách theo dõi sự hấp thụ của các xung terahertz được bắn ra ở những thời điểm khác nhau sau xung laser kích thích ban đầu, Bonn và các đồng nghiệp có thể suy ra tốc độ làm mát. Trong trường hợp này, dường như có sự truyền năng lượng giữa nước và các electron – một dấu hiệu của ma sát lượng tử – ngay cả đối với chỉ một lớp graphene (hình 4).
4 Tìm kiếm ma sát lượng tử
Một kĩ thuật gọi là “quang phổ terahertz” được sử dụng để tìm kiếm ma sát lượng tử. Kỹ thuật này đo tốc độ làm mát của vật liệu (trong trường hợp này là một tấm graphene) sau khi nó được làm nóng bằng xung laser. Khi sự kích thích nhiệt giảm đi, khả năng hấp thụ bức xạ của vật liệu sẽ thay đổi. Bằng cách theo dõi sự hấp thụ của một loạt xung terahertz, tốc độ làm mát được tính toán. Quang phổ Terahertz có thể được thực hiện trong chân không hoặc trong bể chất lỏng. Nếu sự có mặt của chất lỏng làm cho graphene nguội đi nhanh hơn trong chân không thì điều này cho thấy có sự ma sát lượng tử.
Ngược lại, khi nhúng graphene vào metanol hoặc etanol, tốc độ làm nguội của các electron chậm hơn so với trong chân không. Đây là những chất lỏng phân cực nhưng chúng không có chế độ Debye ở tần số thích hợp và chúng chỉ ức chế sự giãn nhiệt của các electron.
“Bản năng ban đầu của tôi đã sai,” Bonn vui vẻ thừa nhận, “vì vậy thật là một bất ngờ thú vị khi nó thành công.” Nhưng trong khi ông nói rằng các kết quả phù hợp về mặt định lượng với các tiên đoán lý thuyết, thì vẫn cần những thí nghiệm tiếp theo để khẳng định điều đó. Hơn nữa, cho đến nay họ mới chỉ quan sát các tấm graphene phẳng tiếp xúc với lượng nước lớn. “Chúng tôi thực sự muốn tạo ra nước được giới hạn nano,” ông nói – một chương trình mở rộng mà họ đã bắt đầu.
Ngoài một giấc mơ viển vông
Ma sát lượng tử có thể được sử dụng tốt không? Kavokine hy vọng như vậy và đã đặt ra thuật ngữ “ống dẫn nước lượng tử” để mô tả những nỗ lực thực hiện điều đó. Bocquet nói: “Chúng ta có thể thấy công cơ học [như dòng chất lỏng] có thể tác động trực tiếp đến chuyển động điện tử như thế nào”. “Ví dụ, nếu bạn di chuyển một chất lỏng, bạn có thể tạo ra một dòng điện.”
Các nhà nghiên cứu hiện đang nghĩ cách khai thác sự chuyển đổi năng lượng trực tiếp giữa công cơ học và chuyển động của điện tử – ví dụ, bằng cách thu năng lượng của dòng chất thải để tạo ra dòng điện tử hoặc sử dụng điều khiển điện tử để thay đổi tốc độ dòng chảy và từ đó tạo ra các van hoặc van có kích thước nano. máy bơm. “Điều đó không phải là không thể,” Bonn chứng thực.
Kavokine chỉ ra rằng các hệ thống sinh học – nhờ khả năng điều chỉnh cấu trúc tinh tế của protein – rất giỏi trong việc kiểm soát dòng chảy ở quy mô rất nhỏ. Mặc dù anh ấy cho rằng “khó có khả năng” bất kỳ ai có thể đạt được mức độ điều chỉnh cấu trúc đó, nhưng “[công việc của chúng tôi] cho thấy rằng thay vào đó, chúng tôi có thể sử dụng khả năng điều chỉnh điện tử để đạt được các chức năng tương tự với các cơ chế vật lý rất khác nhau” – điều mà anh ấy gọi là “con đường phản mô phỏng sinh học”. ” để chuyển đổi công nghệ nano.
Franzese cho biết hiểu biết về ma sát lượng tử có thể hữu ích cho việc chế tạo các vật liệu có ma sát thấp. Ông nói: “Chất bôi trơn thường được sử dụng như một giải pháp, nhưng nhiều loại trong số đó không bền vững – vì vậy thiết kế một loại vật liệu có độ ma sát thấp về bản chất sẽ là một lựa chọn tốt hơn. Hơn nữa, cách tiếp cận coi bản chất của bề mặt tiếp xúc nước-rắn là một bài toán nhiều vật “có thể có những tác động trong các lĩnh vực khác như lọc và tách các hỗn hợp chất lỏng”.
Lạnh lùng: cách các nhà vật lý học cách thao tác và di chuyển các hạt bằng cách làm mát bằng laser
Trong khi đó, Michaelides và Bocquet đang khám phá ý tưởng sử dụng các kích thích điện tử của một tấm than chì làm chất trung gian để cho phép hai dòng chảy ở hai bên của nó giao tiếp với nhau, sao cho dòng này có thể tạo ra dòng kia: cái mà họ gọi là đường hầm dòng chảy. Những mô phỏng của họ cho thấy về nguyên tắc điều đó là có thể thực hiện được.
“Tôi hình dung ra nhiều ứng dụng quan trọng của nghiên cứu này [về ma sát lượng tử],” Troian nói, “từ các hệ thống sinh học đến những ứng dụng liên quan đến việc phân tách dựa trên màng, khử muối, pin lỏng, máy nano và hơn thế nữa”.
Bất kể thợ sửa ống nước lượng tử cuối cùng tạo ra sản phẩm gì, như Bocquet kết luận gọn gàng, “đó là một sân chơi rất hay”.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
