Khi nước di chuyển qua các kênh kích thước nano làm bằng carbon, tốc độ dòng chảy của nó cao hơn nhiều so với các lý thuyết hiện tại về động lực học chất lỏng dự đoán. Nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại École Normale Supérieure (ENS) ở Paris, Pháp và Viện Flatiron ở New York, Mỹ cho thấy rằng một phiên bản lượng tử của ma sát đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết câu hỏi hóc búa này. Phát hiện của nhóm có thể có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng như lọc muối từ nước biển hoặc tạo ra năng lượng.
Trong hơn một thập kỷ, các nhà thực nghiệm đã biết rằng nghịch lý thay, các chất lỏng như nước lại dễ dàng đi qua các ống nano cacbon hẹp hơn - các tấm cacbon cuộn lại dày chỉ bằng một nguyên tử - hơn là qua các ống rộng hơn. Hiệu ứng này là mạnh nhất đối với các ống nano được làm từ nhiều hơn một lớp các tấm cacbon. Một câu đố khác là trong khi chất lỏng chảy mà hầu như không có bất kỳ ma sát nào qua tất cả các kích thước của kênh nhờ độ nhẵn cực kỳ của các thành ống nano, thì ma sát đó is hiện tại là khó giải thích.
Trong 2016, Lydéric Bocquet và các đồng nghiệp tại ENS tiết lộ rằng lượng ma sát tăng lên đối với các ống nano có đường kính lớn hơn. Về nguyên tắc, điều này có thể giải thích tại sao nước chảy dễ dàng hơn qua các ống hẹp hơn. Tuy nhiên, kết quả thật khó hiểu vì thành của các ống lớn hơn cũng nhẵn như các ống nhỏ hơn.
Một bức tường không chỉ là một bức tường
Trong tác phẩm mới nhất, Lydéric và Marie Laure Bocquet của ENS, cùng với Nikita Kavokine tại Trung tâm Vật lý Lượng tử Tính toán của Viện Flatiron, đã nghiên cứu các ống nano carbon có đường kính từ 20 đến 100 nanomet. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một cách tiếp cận mới, bất thường trong lĩnh vực động lực học chất lỏng, bằng cách tập trung vào các thành ống nano. Kavokine giải thích: “Trong thủy động lực học, bức tường chỉ là một bức tường, và bạn không quan tâm bức tường đó được làm bằng gì. “Chúng tôi nhận ra rằng ở kích thước nano, nó thực sự trở nên rất quan trọng.”
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các hiệu ứng lượng tử tại mặt phân cách cacbon-nước của bức tường tạo ra ma sát bằng cách cho phép chất lỏng đang chảy phân tán năng lượng bằng cách phân tán các electron trong cacbon. Các electron này tương tác điện từ với các phân tử nước vì phần sau là phân cực, với một đầu của phân tử mang điện tích dương nhẹ và đầu kia mang điện tích âm nhẹ.
Kavokine và các đồng nghiệp nói rằng trong khi các electron trong carbon di chuyển cùng với các phân tử nước đang chảy, chúng có xu hướng hơi tụt lại phía sau. Hiệu ứng này, được gọi là ma sát điện tử hoặc lượng tử, chỉ được xem xét trong tương tác giữa hai chất rắn hoặc một hạt đơn và một chất rắn cho đến nay.
Tăng lực ma sát lượng tử
Kavokine tiếp tục giải thích rằng các electron có xu hướng dao động chung ở một tần số cụ thể. Hành vi này được gọi là chế độ plasmon, và nếu các phân tử nước có thể dao động ở cùng tần số, chúng sẽ đồng loạt với các electron, làm tăng lực ma sát lượng tử. Phát hiện này giải thích tại sao các hiệu ứng ma sát là mạnh nhất đối với các ống nano có nhiều lớp được liên kết tốt, vì chuyển động xen kẽ của các electron được đồng bộ với chuyển động của các phân tử nước.
Giao diện nước đá trở nên nhớt
Khi được hỏi tại sao hiệu ứng này chưa từng được nhìn thấy trước đây, Kavokine lưu ý rằng nó rất nhẹ ngay cả trong các ống nano carbon và sẽ không đáng kể đối với các vật liệu có bề mặt thô ráp hơn. Ông nói thêm rằng hiệu ứng này cũng khó bắt chước bằng cách sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử, vốn không thể nắm bắt được loại ma sát này vì chúng dựa vào cái gọi là phép gần đúng Born-Oppenheimer. Sự gần đúng này giả định rằng các electron thích ứng ngay lập tức với chuyển động của các nguyên tử gần đó, điều này không đúng. Kavokine kết luận: “Tôi nghĩ công trình này mở ra cánh cửa cho nhiều hiện tượng giao diện lượng tử mới mà chúng ta mới bắt đầu hiểu được.
Báo cáo công việc của họ trong Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch quay trở lại các thí nghiệm của họ và khám phá các hệ quả thực tế của lý thuyết ma sát lượng tử của họ. Bocquet nói: “Chúng tôi muốn điều tra một cách có hệ thống ảnh hưởng của các đặc tính điện tử lên ma sát. Thế giới vật lý. "Các cuộc điều tra của chúng tôi cũng sẽ tiếp tục về mặt lý thuyết."
Các bài viết 'Phanh lượng tử' làm chậm dòng nước qua các ống nano carbon xuất hiện đầu tiên trên Thế giới vật lý.
