I en ny studie, forskare har drivit vattennanodroppar över en grafenyta med hastigheter på upp till 250 km (155 miles) per timme - vilket, för jämförelse, är ungefär dubbelt så snabb som en sprintande gepard. Vattendropparnas ultrasnabba hastigheter kräver ingen pump, men istället uppstår helt enkelt på grund av de geometriska mönstren på grafenytan, som skapar olika kontaktvinklar på fram- och baksidan av de rörliga dropparna för att driva dem framåt.

Forskarna, Ermioni Papadopoulou och Petros Koumoutsakos vid ETH Zürich, Constantine M. Megaridis vid University of Illinois i Chicago, och Jens H. Walther vid ETH Zürich och Danmarks Tekniske Universitet, har publicerat en artikel om de snabbt rörliga vattendroppar i ett nyligen utgåva av ACS Nano .

"Vi kan få mycket höghastighetsriktad transport av vattendroppar på nanoskala, utan att förbruka någon energi utan helt enkelt genom mönstring av grafen, " berättade Koumoutsakos Phys.org . "Detta kan ha viktiga tillämpningar inom nanotillverkning och exakt läkemedelsleverans. Det ger också för första gången en enkel kvantitativ förklaring till den ultrasnabba transporten av vatten på nanoskala."

Detta transportsätt i nano-/mikroskala är mycket annorlunda än något som observerats på makroskalan. Grafenytan var strukturellt mönstrad för att skapa vätbarhetsgradienter, allt från hydrofob till hydrofil. Vattnets nanodroppar, var och en består av cirka 1500 vattenmolekyler, placerades sedan på ytan. De olika ytmönstren skapade stora kontaktvinklar på de hydrofoba domänerna och mindre kontaktvinklar på de hydrofila domänerna. Skillnaderna i kontaktvinklarna vid vattendropparnas fram- och vikande ändar satte dropparna i rörelse och accelererade dem framåt.

Liknande mekanismer finns i naturen, såsom på ytan av Namibökenbaggen och vennätet av bananblad. Dessa ytor har mönster som resulterar i förbättrad uppsamling och transport av vatten.

I experiment med grafen, forskarna observerade vattendroppshastigheter i storleksordningen 100 meter per sekund, som är två storleksordningar snabbare än de högsta hastigheterna som rapporterats för vattendroppar som drivs fram med vissa andra metoder, såsom ytenergigradienter. Som förväntat, mindre droppar rör sig snabbare än större på grund av de större dropparnas ökade tröghet och större friktion mot ytan.

Efter att ha analyserat de underliggande mekanismerna för vattentransporten, forskarna härledde en skalningslag och utvecklade en modell som kan användas för att förutsäga droppbanor. Denna information kan användas för att designa framtida enheter för potentiella applikationer, som högeffektiv läkemedelsleverans, elproduktion, och ultrasnabb värmeavledning för nano- och mikroskalasystem. Forskarna planerar att ytterligare undersöka höghastighetsvattentransportmekanismer på andra platser än grafen.

"Vi undersöker ultrasnabb transport av vatten i andra nanostrukturer, som kolnanorör, " sa Koumoutsakos.

© 2019 Science X Network