Stroming van water op een koolstofoppervlak wordt beheerst door kwantumwrijving, zegt onderzoek

Water en koolstof vormen een kwantumkoppel: de stroming van water op een koolstofoppervlak wordt bepaald door een ongewoon fenomeen dat kwantumwrijving wordt genoemd. Een nieuw werk gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie demonstreert experimenteel dit fenomeen – dat werd voorspeld in een eerdere theoretische studie – op het grensvlak tussen vloeibaar water en grafeen, een enkele laag koolstofatomen. Geavanceerde ultrasnelle technieken werden gebruikt om deze studie uit te voeren. Deze resultaten zouden kunnen leiden tot toepassingen in waterzuiverings- en ontziltingsprocessen en misschien zelfs tot op vloeistof gebaseerde computers.

De afgelopen 20 jaar hebben wetenschappers zich verbaasd over hoe water zich gedraagt ​​in de buurt van koolstofoppervlakken. Het kan veel sneller stromen dan verwacht op basis van conventionele stromingstheorieën of vreemde arrangementen vormen, zoals vierkant ijs. Nu rapporteert een internationaal team van onderzoekers van het Max Plank Institute for Polymer Research van Mainz (Duitsland), het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2, Spanje) en de Universiteit van Manchester (Engeland) in de studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 22 juni 2023, dat water rechtstreeks kan interageren met de koolstofelektronen – een kwantumfenomeen dat zeer ongebruikelijk is in vloeistofdynamica.

Een vloeistof, zoals water, bestaat uit kleine moleculen die willekeurig bewegen en voortdurend met elkaar botsen. Een vaste stof daarentegen is gemaakt van netjes gerangschikte atomen die baden in een wolk van elektronen. Aangenomen wordt dat de vaste en vloeibare werelden alleen interageren door botsingen van de vloeibare moleculen met de vaste atomen – de vloeibare moleculen niet “zien” de elektronen van de vaste stof. Desalniettemin, iets meer dan een jaar geleden, suggereerde een paradigmaverschuivende theoretische studie dat op het water-koolstofgrensvlak de moleculen van de vloeistof en de elektronen van de vaste stof elkaar duwen en trekken, waardoor de vloeistofstroom wordt vertraagd: dit nieuwe effect werd kwantumwrijving genoemd. . Het theoretische voorstel miste echter experimentele verificatie.

“We hebben nu lasers gebruikt om kwantumwrijving aan het werk te zien,” legt hoofdauteur Dr. Nikita Kavokine, een onderzoeker aan het Max Planck Instituut in Mainz en het Flatiron Institute in New York, uit. Het team bestudeerde een monster van grafeen – een enkele monolaag van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Ze gebruikten ultrakorte rode laserpulsen (met een duur van slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde) om de elektronenwolk van het grafeen ogenblikkelijk op te warmen. Vervolgens bewaakten ze de afkoeling met terahertz-laserpulsen, die gevoelig zijn voor de temperatuur van de grafeenelektronen. Deze techniek wordt optische pomp-terahertz-sonde (OPTP) spectroscopie genoemd.

Tot hun verbazing koelde de elektronenwolk sneller af als het grafeen in water werd ondergedompeld, terwijl het onderdompelen van het grafeen in ethanol geen verschil maakte voor de afkoelsnelheid. “Dit was weer een indicatie dat het water-koolstofkoppel op de een of andere manier speciaal is, maar we moesten nog steeds begrijpen wat er precies aan de hand was,” zegt Kavokine. Een mogelijke verklaring was dat de hete elektronen tegen de watermoleculen duwen en trekken om een ​​deel van hun warmte af te geven; met andere woorden, ze koelen af ​​door kwantumwrijving. De onderzoekers doken in de theorie en inderdaad, water-grafeen kwantumwrijving zou de experimentele gegevens kunnen verklaren.

“Het is fascinerend om te zien dat de dragerdynamiek van grafeen ons blijft verrassen met onverwachte mechanismen, deze keer met vaste-vloeistofinteracties met moleculen niemand minder dan het alomtegenwoordige water,” zegt prof. Klaas-Jan Tielrooij van ICN2 (Spanje) en TU Eindhoven (Nederland). Wat water hier speciaal maakt, is dat zijn trillingen, hydronen genoemd, synchroon lopen met de trillingen van de grafeenelektronen, plasmonen genaamd, zodat de warmteoverdracht tussen grafeen en water wordt verbeterd door een effect dat bekend staat als resonantie.

De experimenten bevestigen dus het basismechanisme van kwantumwrijving tussen vaste en vloeibare stoffen. Dit zal implicaties hebben voor filtratie- en ontziltingsprocessen, waarbij kwantumwrijving kan worden gebruikt om de permeatie-eigenschappen van de nanoporeuze membranen af ​​te stemmen. “Onze bevindingen zijn niet alleen interessant voor natuurkundigen, maar ze hebben ook potentiële implicaties voor elektrokatalyse en fotokatalyse op het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof.” zegt Xiaoqing Yu, Ph.D. student aan het Max Planck Instituut in Mainz en eerste auteur van het werk.

De ontdekking was te danken aan het samenbrengen van een experimenteel systeem, een meetinstrument en een theoretisch kader die zelden hand in hand gaan. De belangrijkste uitdaging is nu om controle te krijgen over de interactie tussen water en elektronen. “Onze droom is om kwantumwrijving op verzoek aan en uit te zetten,” zegt Kavokine. “Op deze manier zouden we slimmere waterfiltratieprocessen kunnen ontwerpen, of misschien zelfs op vloeistof gebaseerde computers.”