‘Kwantumwrijving’ vertraagt ​​de waterstroom door koolstofnanobuisjes, waardoor een al lang bestaand mysterie rond vloeistofdynamica wordt opgelost

Al 15 jaar staan ​​wetenschappers versteld van de mysterieuze manier waarop water door de kleine doorgangen van koolstofnanobuisjes stroomt – buizen met wanden die slechts één atoom dik kunnen zijn. De stromen hebben alle theorieën over vloeistofdynamica in de war gebracht; paradoxaal genoeg gaat vloeistof gemakkelijker door smallere nanobuisjes, en in alle nanobuisjes beweegt het met bijna geen wrijving. Welke wrijving er is, heeft ook elke verklaring getrotseerd.

In een ongekende combinatie van vloeistofdynamica en kwantummechanica, rapporteren onderzoekers in een nieuwe theoretische studie die op 2 februari is gepubliceerd in Natuur dat ze eindelijk een antwoord hebben: ‘kwantumwrijving’.

De voorgestelde verklaring is de eerste indicatie van kwantumeffecten op de grens van een vaste stof en een vloeistof, zegt hoofdonderzoeker Nikita Kavokine, een onderzoeker aan het Center for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute in New York City.

“Het water-koolstofsysteem houdt wetenschappers al meer dan tien jaar bezig en we stellen de eerste redelijke verklaring voor wat er gebeurt”, zegt Kavokine. “Dit werk toont een verband tussen hydrodynamica en de kwantumeigenschappen van materie die tot nu toe niet duidelijk was.”

In hun verklaring stellen Kavokine en zijn collega’s voor dat de passerende watermoleculen een interactie aangaan met elektronen in de wanden van de nanobuisjes, zodat de moleculen en elektronen op elkaar duwen en trekken en de stroom vertragen.

Dit effect is het sterkst voor nanobuisvarianten die zijn opgebouwd uit meerdere lagen koolstofplaten van één atoom dik. Dat komt omdat elektronen van laag naar laag kunnen springen. Voor smallere nanobuisjes veroorzaken geometrische beperkingen een verkeerde uitlijning tussen de lagen. De onderzoekers stellen voor dat deze mismatch op atomaire schaal de elektronenhop belemmert, wrijving vermindert en snellere stromen door strakkere buizen veroorzaakt.

De theoretische bevindingen kunnen belangrijke implicaties hebben voor voorgestelde toepassingen van koolstofnanobuisjes, zoals het filteren van zout uit zeewater of het opwekken van energie met behulp van het verschil in zoutgehalte tussen zout water en zoet water. Minder wrijving betekent dat er minder energie nodig is om water door de buizen te persen.

“Ons werk schetst radicaal nieuwe manieren om de vloeistofstroom op nanometerschaal te regelen met behulp van geavanceerde materialen”, zegt Lydéric Bocquet, onderzoeksdirecteur bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) in Parijs. Samen met Kavokine was hij co-auteur van de nieuwe studie met Marie-Laure Bocquet, die ook onderzoeksdirecteur is bij CNRS.

De onderzoekers dachten aan nanobuisjes met een diameter van 20 tot 100 nanometer. Ter vergelijking: een watermolecuul is 0,3 nanometer groot. De buisjes kunnen zo klein zijn dankzij hun stevige constructiemateriaal, grafeen: enkel atoom dikke platen koolstofatomen in een honingraatpatroon. Wanneer je meerdere grafeenlagen op elkaar stapelt, krijg je grafiet (zoals het soort dat in potlood wordt gevonden).

Sinds 2005 hebben wetenschappers gemeten hoe snel en gemakkelijk water door koolstofnanobuisjes beweegt. Omdat ze zo klein zijn, zouden nanobuisjes behoorlijk verschrikkelijke rietjes zijn: de vloeistof stroomt met slechts miljardsten van een liter per seconde.

Maar de vloeistof beweegt in ieder geval met heel weinig weerstand omdat de grafeenwanden van de buizen volledig glad zijn. Dit gebrek aan oppervlakteruwheid vermindert de weerstand op passerende watermoleculen. Het grafeen vangt ook geen moleculen op het oppervlak op, zoals veel andere materialen doen. Die gevangen moleculen kunnen op dezelfde manier de stroom vertragen.

Metingen in vroege studies suggereerden dat water bijna zonder wrijving door de nanobuisjes stroomt. In 2016 vond echter een experimenteel onderzoek in Natuur co-auteur van Lydéric Bocquet ontdekte dat de hoeveelheid wrijving afhangt van de straal van nanobuisjes. Verwarrend genoeg ging het wrijvingseffect omhoog voor grotere nanobuisjes. Dat was niet logisch, aangezien de grotere buizen net zo glad moeten zijn als de kleinere. Die eigenaardigheden leidden tot debat binnen het veld en werden belangrijke kennislacunes in de studie van stromen op nanoschaal.

Omdat bestaande theorieën over vloeistofdynamica faalden, gingen Kavokine en zijn collega’s dieper in op de eigenschappen van de grafeenwanden. Een dergelijke benadering is ongebruikelijk voor het bestuderen van vloeistoffen, zegt Kavokine. “In de hydrodynamica is de muur gewoon een muur, en het maakt je niet uit waar de muur van is gemaakt. We realiseerden ons dat het op nanoschaal eigenlijk heel belangrijk wordt.” In het bijzonder realiseerde Kavokine zich dat kwantumeffecten op het grafeen-watergrensvlak wrijving konden veroorzaken door het stromende water energie te laten dissiperen in de stromende elektronen in het grafeen.

Verrassend genoeg hielp de COVID-19-pandemie het onderzoek. “Er was een steile theoretische leercurve om dit probleem aan te pakken”, zegt Kavokine. “Ik moest veel fundamentele boeken lezen en nieuwe dingen leren, en een aantal maanden in lockdown hebben dat echt geholpen.”

Een cruciale factor was dat een deel van de elektronen in grafeen vrij door het materiaal kan bewegen. Bovendien kunnen die elektronen elektromagnetisch interageren met watermoleculen. Dat komt omdat elk watermolecuul een licht positief geladen uiteinde en een licht negatief geladen uiteinde heeft omdat het zuurstofatoom sterker aan de elektronenwolk trekt dan de waterstofatomen.

In de verklaring van de onderzoekers bewegen elektronen in de grafeenwand mee met passerende watermoleculen. Maar de elektronen hebben de neiging om iets achter te blijven, waardoor de moleculen langzamer worden. Dit effect staat bekend als elektronische of kwantumwrijving en is alleen eerder beschouwd als een factor in interacties tussen twee vaste stoffen of een enkel deeltje en een vaste stof.

De situatie is echter complexer als het om een ​​vloeistof gaat, waar veel moleculen met elkaar in wisselwerking staan. De elektronen en watermoleculen schudden door hun warmte-energie. Als ze toevallig met dezelfde frequentie schudden, treedt er een effect op dat resonantie wordt genoemd en dat de kwantumwrijvingskracht verhoogt. Dit resonantie-effect is het grootst voor nanobuisjes met goed uitgelijnde lagen, omdat de beweging van elektronen tussen de lagen synchroon loopt met die van de watermoleculen.

Deze nieuwe interactie tussen vloeistoffen en vaste stoffen bleef tot nu toe onopgemerkt om twee belangrijke redenen, zegt Kavokine. Ten eerste is de resulterende wrijving zo gering dat deze verwaarloosbaar zou zijn voor materialen met ruwere oppervlakken. Ten tweede is het effect afhankelijk van het feit dat de elektronen enige tijd nodig hebben om zich aan te passen aan de bewegende watermoleculen. Moleculaire simulaties kunnen de wrijving niet detecteren omdat ze de Born-Oppenheimer-benadering gebruiken, die ervan uitgaat dat elektronen zich onmiddellijk aanpassen aan de beweging van nabijgelegen atomen.

De nieuwe studie is theoretisch, dus de onderzoekers zeggen dat experimenten nodig zijn om hun voorstel te bevestigen en enkele van de contra-intuïtieve gevolgen ervan te onderzoeken. Ze wijzen er ook op dat er behoefte is aan verbeterde simulaties die niet afhankelijk zijn van de Born-Oppenheimer-benadering. “Ik hoop dat dit onze manier van omgaan met deze systemen verandert en nieuwe theoretische hulpmiddelen biedt voor andere problemen”, zegt Kavokine.