Föreställ dig om du kunde dricka ett glas vatten bara genom att föra in en fast tråd i det och suga på det som om det vore ett läskstrå. Det visar sig att om du var liten nog, den metoden skulle fungera bra – och skulle inte ens kräva att suget startade.
Ny forskning utförd vid MIT och på andra håll har för första gången visat att när den förs in i en pool av vätska, nanotrådar – trådar som bara är hundratals nanometer (miljarddelar av en meter) tvärs över – drar naturligt vätskan uppåt i en tunn film som täcker trådens yta. Fyndet kan ha tillämpningar i mikrofluidiska enheter, biomedicinsk forskning och bläckstråleskrivare.
Fenomenet hade förutspåtts av teoretiker, men aldrig observerats eftersom processen är för liten för att kunna ses av optiska mikroskop; elektronmikroskop måste fungera i vakuum, vilket skulle få de flesta vätskor att avdunsta nästan omedelbart. För att övervinna detta, MIT-teamet använde en jonisk vätska som heter DMPI-TFSI, som förblir stabil även i ett kraftfullt vakuum. Även om observationerna använde denna specifika vätska, resultaten antas gälla för de flesta vätskor, inklusive vatten.
Resultaten publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik av ett team av forskare under ledning av Ju Li, en MIT-professor i kärnkraftsvetenskap och ingenjörsvetenskap och materialvetenskap och teknik, tillsammans med forskare vid Sandia National Laboratories i New Mexico, University of Pennsylvania, University of Pittsburgh, och Zhejiang University i Kina.
Medan Li säger att denna forskning syftar till att utforska den grundläggande vetenskapen om vätske-fasta interaktioner, det kan leda till tillämpningar inom bläckstråleutskrift, eller för att göra ett labb på ett chip. "Vi tittar verkligen på vätskeflödet i en aldrig tidigare skådad liten skala, "Li säger - så oväntade nya fenomen kan dyka upp när forskningen fortsätter.
I molekylär skala, Li säger, "vätskan försöker täcka den fasta ytan, och det sugs upp av kapillärverkan." På de minsta skalorna, när vätskan bildar en film som är mindre än 10 nanometer tjock, den rör sig som ett jämnt lager (kallad "prekursorfilm"); när filmen blir tjockare, en instabilitet (kallad Rayleigh-instabilitet) inträder, orsakar att droppar bildas, men dropparna förblir anslutna via föregångarfilmen. I vissa fall, dessa droppar fortsätter att röra sig uppåt nanotråden, medan dropparna i andra fall verkar stationära även när vätskan i dem strömmar uppåt.
Skillnaden mellan den släta prekursorfilmen och pärlorna, Li säger, är det i den tunnare filmen, varje vätskemolekyl är tillräckligt nära för att direkt interagera, genom kvantmekaniska effekter, med molekylerna av det fasta ämnet begravda under det; denna kraft undertrycker Rayleigh -instabiliteten som annars skulle orsaka pärlor. Men med eller utan pärlor, vätskans uppåtgående flöde, trotsar tyngdkraften, är en kontinuerlig process som skulle kunna utnyttjas för småskalig vätsketransport.
Även om denna uppåtgående dragning alltid finns med trådar i denna lilla skala, effekten kan förstärkas ytterligare på olika sätt:Lägga till en elektrisk spänning på tråden ökar kraften, liksom en liten förändring i trådens profil så att den smalnar av mot ena änden. Forskarna använde nanotrådar gjorda av olika material - kisel, zinkoxid och tennoxid, samt tvådimensionell grafen – för att visa att denna process gäller många olika material.
Nanotrådar är mindre än en tiondel av diametern på vätskeanordningar som nu används i biologisk och medicinsk forskning, som mikropipetter, och en tusendels diameter av injektionsnålar. I dessa små skalor, fann forskarna, en solid nanotråd är lika effektiv för att hålla och överföra vätskor som ett ihåligt rör. Denna mindre skala kan bana väg för nya typer av mikroelektromekaniska system för att bedriva forskning om material på molekylär nivå.
Metoden som forskarna utvecklat gör att de kan studera interaktionerna mellan fasta ämnen och vätskeflöde "i nästan den minsta skala du kan definiera en vätskevolym, som är 5 till 10 nanometer tvärs över, "Säger Li. Teamet planerar nu att undersöka beteendet hos olika vätskor, använda en "smörgås" av genomskinliga fasta membran för att innesluta en vätska, som vatten, för undersökning i ett transmissionselektronmikroskop. Detta kommer att möjliggöra "mer systematiska studier av fast-vätskeinteraktioner, " Li säger - interaktioner som är relevanta för korrosion, elektrolytisk utfällning och drift av batterier.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
