(Phys.org) – Det fanns stora förhoppningar om att använda kolnanorör, speciellt för ultrasnabb vattentransport för att avsalta havsvatten. Dock, en simulering avslöjar nu att dessa ultrasnabba transporthastigheter kanske inte var ordentligt jordade trots allt. Forskare som arbetar med experiment och datormodeller har varit oense om materialets förmågor och styrande fysik sedan dess.

Kolnanorör (CNT) har väckt ett stort intresse för vetenskapens värld sedan de upptäcktes 1991. När allt kommer omkring, materialet har ovanliga egenskaper som gör det idealiskt för olika applikationer. Till exempel, CNT:er används inom elektroteknik som tips för kraftfulla skanningstunnelmikroskop, som förstärkningsfibrer i syntetmaterial eller för specifika flygplanskomponenter. CNT:er har väckt den vilda fantasin hos vissa att rep gjorda av dessa nanorör en dag kan bära hissar från jorden till rymden.

Användningen av CNT-membran som filtermedium är kanske mer realistisk. Experiment och simuleringar visar att vattenmolekyler strömmar genom sådana membran extremt snabbt, vilket gör dem intressanta som filter för kostnadseffektiva anläggningar för avsaltning av havsvatten:vattenmolekyler passerar genom de ultrasmala porerna, saltjoner gör det inte. Denna potential för CNT-membran forskas därför intensivt.

Gränsen identifierad teoretiskt överskrids kraftigt

Vattentransport genom rör bygger på en väletablerad formel från vätskedynamik. Formeln beskriver flödeshastighet, som beräknas med hjälp av rörets längd och diameter och tryckskillnaden mellan in- och utloppet av vätskan vid respektive rörändar. Experiment har gett vattentransporthastigheter för CNT som förmodligen är 100, 000 gånger större än den makroskala teoretiskt beräknade gränsen som skulle gälla för vattentransport genom sådana nanorör. Vågen är avgörande för ultrasnabba transportprocesser. På nanoskala, det har hävdats att vattenmolekyler bokstavligen flyger genom kolnanorören utan att röra de hydrofoba väggarna, därav deras minskade friktion och ökade transporthastigheter. Och ju smalare CNT:erna är, desto högre vattentransporthastigheter.

Dock, berättelsen om CNTs är full av kontroverser. Medan vissa experimentella forskare faktiskt har observerat en flödeshastighet som var 100, 000 gånger större och publicerade detta i Natur , andra har mätt vattenflöden som endast förbättrats med 100 till 1000 gånger. Inte heller bidrog simuleringar till att svara på frågan om CNT-membran verkligen har så stor potential. Tidigare datormodeller överväger för få vattenmolekyler och CNT som är för korta jämfört med de experimentellt använda CNT. Simuleringar som rapporterade 100, 000-faldig förbättring kom bara fram till detta värde genom en extrapolering.

Ny simulering ställer tvivel om ultrasnabb transport

Ett team av forskare under ledning av professor Petros Koumoutsakos har nu underblåst denna vetenskapliga debatt med den största och mest detaljerade simuleringen av vattenflödet genom kolnanorör hittills. Datormodellen simulerar CNT:er av samma längd som de som används i experiment. En artikel har precis publicerats i tidskriften Nanobokstäver .

Intressant, simuleringarna har bara kunnat bekräfta en 200-faldig förbättring av vattenflödet och bekräftar inte de 100, 000-faldig förbättring som hade hävdats av vissa experimentalister. För Petros Koumoutsakos, dessa rapporterade ultrasnabba priser är ett mysterium. "Våra simuleringar tyder på att så höga flödeshastigheter inte är möjliga för rent vatten och CNT, " säger ETH-Zürich-professorn. Koumoutsakos kunde bekräfta att en ökad CNT-längd förbättrar vattenflödet om än bara upp till en viss längd. Efter 500nm förblir transporthastigheterna i stort sett oförändrade. Han lyckades också simulera och förklara teoretiska hinder för vatteninsläpp och utgång från ett rör som minskar flödeshastigheten. detta påverkar bara korta CNT, har knappt inverkan på långa.

Miljontals virtuella molekyler passerar genom CNT

Beräkningsmodellen är baserad på rena kolnanorör som är en mikrometer långa och cirka två nanometer i diameter, genom vilken datavetarna kanaliserade miljontals virtuella vattenmolekyler. Simuleringarna vid Chair of Computational Science är oöverträffade i omfattning och de var genomförbara tack vare den storskaliga datorn vid Swiss Center for Scientific Computing i Lugano.

Beräkningsforskaren kan inte förstå varför hans simulerings flödeshastighet skiljer sig så mycket från de värden som uppmätts i vissa experiment. "Våra resultat sammanfaller till och med med resultat från nyare experimentella tester, " betonar Koumoutsakos. Han misstänker att kemiska modifieringar av CNTs eller andra oobserverade fenomen kan förbättra flödet. simuleringen tar inte hänsyn till sådana föroreningar, han säger. Följaktligen, Koumoutsakos föreställer sig utvecklingen av datormodeller som också tar hänsyn till och kvantifierar sådana osäkerheter.

Professorn från ETH-Zürich hoppas att hans datormodell kommer att uppmuntra andra forskare att se över sina experiment och att samarbeta för att kvantifiera osäkerheter i experiment och simuleringar. Enligt hans uppfattning, data som erhållits i experiment måste säkerhetskopieras med simuleringar innan de publiceras i framtiden.

Experiment ger ett brett utbud av data

Hyung Gyu Park, en biträdande professor i energiteknik vid ETH Zürich, är en av forskarna som bestämt flödeshastigheterna experimentellt. Han genomförde experiment med CNT som Koumoutsakos nu delvis ifrågasätter och publicerade resultaten i tidskriften Vetenskap tillbaka 2006. Park observerade transporthastigheter som var 500 till 8, 500 gånger högre än de teoretiska prognoserna. I bästa fall, de värden han fått genom experiment och simuleringen avviker med 2,5 gånger. "Därför, de matchar ganska bra, " han säger.

Park inser att Koumoutsakos och hans team har åstadkommit en utmärkt simulering av molekylär dynamik. Datavetarna undersökte den nödvändiga vätskefysiken grundligt och kunde på så sätt väl beskriva vattenflödet i grafitmiljöer på nanometerskala. Dock, den koreanska forskaren påpekar att denna typ av simulering har metodologiska begränsningar:"Denna simulering kan mycket väl ta oss ett steg närmare verkliga experimentella förhållanden, men de återspeglar inte verkligheten fullt ut än."

Park säger att datavetarens tillvägagångssätt är i princip korrekt. Dock, förutsättningarna som simuleringarna bygger på skiljer sig från hans experiment. Till exempel, han använde kolnanorör som var mellan en och två nanometer i diameter. I simuleringen, dock, diametern var 2,03 nanometer. Även om skillnaden kan verka liten och obetydlig, i denna skala förändras vattentransporten kraftigt, som Park observerade experimentellt. Simuleringen tog också bara en rördiameter i beaktande; hans experiment, dock, tog flera.

Fruktbar diskussion mellan avdelningarna

Trots hans kritik, Park ser simuleringen som utvecklats av sin avdelningskollega som ett viktigt bidrag, som experimentell forskning endast tjänar på. Han ser det som ett framsteg i att modellera flödesfenomen på nanometerskala och under förhållanden som råder i grafitmiljöer. "Jag kommer att kontrollera den här modellen och mina resultat noggrant med nanorörsmembran i framtiden, " betonar han. När allt kommer omkring, han medger, det är mycket svårt att experimentellt mäta sådana transportprocesser i nanometerskala. Dessutom, det är en utmaning att syntetisera en biljon (10 ¹² ) CNT:er med konstant diameter för att konstruera en centimeterstor membrananordning, en bedrift som Parks forskargrupp nyligen åstadkommit. De arbetar just nu med att producera CNT-membran i större skala.

Trots deras vetenskapliga debatt, båda forskarna ser det som ett sällsynt privilegium att forskare arbetar med experiment och simuleringar i detta ämne på samma institution. "Jag är övertygad om att vår sunda konkurrens och samarbete mellan forskare från båda områdena kommer att stå sig väl för detta spännande forskningsfält, säger Park.