Georgia Tech docent Elisa Riedo poserar med en vattenflaska av glas och en vattenflaska av plast. Även om behållarematerial inte nämnvärt påverkar hastigheten med vilken vatten strömmar från flaskor av denna storlek, en ny studie visar att egenskaperna hos behållare på nanoskala dramatiskt påverkar vattnets viskositet. Kredit:Rob Felt
Vatten hälls i en kopp i ungefär samma hastighet oavsett om vattenflaskan är gjord av glas eller plast.
Men på nanometerstora skalor för vatten och potentiellt andra vätskor, om behållaren är gjord av glas eller plast gör stor skillnad. En ny studie visar att i nanoskopiska kanaler, den effektiva viskositeten för vatten i kanaler av glas kan vara dubbelt så hög som vatten i plastkanaler. Nanoskopiska glaskanaler kan få vatten att flyta mer som ketchup än vanligt H2O.
Effekten av behållaregenskaper på vätskorna de innehåller erbjuder ytterligare ett exempel på överraskande fenomen på nanoskala. Och det ger också en ny faktor som konstruktörerna av små mekaniska system måste ta hänsyn till.
"På nanoskala, viskositeten är inte längre konstant, så dessa resultat hjälper till att omdefiniera vår förståelse av vätskeflöde i denna skala, sa Elisa Riedo, en docent vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Alla som utför ett experiment, att utveckla en teknik eller försöka förstå en biologisk process som involverar vatten eller annan vätska i denna storleksskala måste nu ta hänsyn till ytornas egenskaper."
Dessa effekter kan vara viktiga för designers av enheter som högupplösta 3D-skrivare som använder munstycken i nanoskala, nanofluidiska system och till och med vissa biomedicinska apparater. Med tanke på att nano-begränsat vatten är allestädes närvarande i djurkroppar, i stenar, och inom nanoteknik, denna nya förståelse kan få en bred inverkan.
Forskning om egenskaperna hos vätskor som är inneslutna av olika material sponsrades av Department of Energy's Office of Basic Sciences och National Science Foundation. Resultaten var planerade att rapporteras den 19 september i tidskriften Naturkommunikation .
Denna illustration visar hur vattens olika effektiva viskositet påverkar kraften som krävs för att glida två ytor åtskilda av ett tunt lager vatten när de begränsas av ett hydrofilt material eller ett hydrofobt material. Kredit:Elisa Riedo
Viskositetsskillnaderna som skapas av behållarmaterial påverkas direkt av i vilken grad materialen är antingen hydrofila - vilket betyder att de drar till sig vatten - eller hydrofoba - vilket betyder att de stöter bort det. Forskarna tror att i hydrofila material, attraktionen för vatten - en egenskap som kallas "vätbarhet" - gör vattenmolekyler svårare att flytta, bidrar till en ökning av vätskans effektiva viskositet. Å andra sidan, vatten är inte lika attraherad av hydrofoba material, vilket gör molekylerna lättare att flytta och ger lägre viskositet.
I forskning som rapporterats i tidskriften, detta vattenbeteende uppträdde endast när vattnet var begränsat till utrymmen på några nanometer eller mindre - motsvarande bara några lager av vattenmolekyler. Viskositeten fortsatte att öka när ytorna flyttades närmare varandra.
Forskargruppen studerade vatten inneslutet av fem olika ytor:glimmer, grafenoxid, kisel, diamantliknande kol, och grafit. Glimmer, används inom borrindustrin, var det mest hydrofila av materialen, medan grafit var den mest hydrofoba.
"Vi såg ett tydligt en-till-en-samband mellan graden i vilken det inneslutande materialet var hydrofilt och viskositeten som vi mätte, " sa Riedo.
Experimentellt, forskarna började med att förbereda atomärt släta ytor av materialen, placera sedan högrent vatten på dem. Nästa, en AFM-spets gjord av kisel flyttades över ytorna på olika höjder tills den fick kontakt. Spetsen – cirka 40 nanometer i diameter – lyftes sedan upp och mätningarna fortsatte.
När vattnets viskositet ökade, kraften som behövs för att flytta AFM-spetsen ökade också, får den att vrida sig något på den fribärande balken som används för att höja och sänka spetsen. Förändringar i denna torsionsvinkel mättes med en laser som studsade från den reflekterande konsolen, ger en indikation på förändringar i kraften som utövas på spetsen, det viskösa motståndet som utövas – och därmed vattnets effektiva viskositet.
"När AFM-spetsen var ungefär en nanometer bort från ytan, vi började se en ökning av den viskösa kraften som verkar på spetsen för de hydrofila ytorna, " sade Riedo. "Vi var tvungna att använda större krafter för att flytta spetsen vid det här laget, och ju närmare vi kom till ytan, desto mer dramatiskt blev detta."
Dessa skillnader kan förklaras genom att förstå hur vatten beter sig olika på olika ytor.
"På nanoskala, vätske-yta interaktionskrafter blir viktiga, speciellt när vätskemolekylerna är instängda i små utrymmen, Riedo förklarade. "När ytorna är hydrofila, vattnet fastnar på ytan och vill inte röra sig. På hydrofoba ytor, vattnet glider på ytorna. Med denna studie, inte bara har vi observerat denna vätningsberoende viskositet i nanoskala, men vi har också kunnat förklara kvantitativt ursprunget till de observerade förändringarna och relatera dem till gränsglidning. Denna nya förståelse kunde förklara tidigare oklara resultat av energiförlust under dynamiska AFM-studier i vatten."
Medan forskarna hittills bara har studerat effekten av materialegenskaperna i vattenkanaler, Riedo förväntar sig att utföra liknande experiment på andra vätskor, inklusive oljor. Förutom enkla vätskor, hon hoppas kunna studera komplexa vätskor som består av nanopartiklar i suspension för att avgöra hur fenomenet förändras med partikelstorlek och kemi.
"Det finns ingen anledning till varför detta inte skulle vara sant för andra vätskor, vilket innebär att detta kan omdefiniera hur vätskedynamik förstås på nanoskala, ", sa hon. "Varje teknologi och naturlig process som använder vätskor som är begränsade i nanoskala kommer att påverkas."
