I 15 år har forskare varit förbryllade över det mystiska sättet att vatten strömmar genom de små passagerna av kolnanorör – rör med väggar som kan vara bara en atom tjocka. Strömmarna har förvirrat alla teorier om vätskedynamik; Paradoxalt nog passerar vätska lättare genom smalare nanorör, och i alla nanorör rör den sig nästan utan friktion. Vilken friktion det finns har också trotsat förklaringen.

I en aldrig tidigare skådad mashup av vätskedynamik och kvantmekanik rapporterar forskare i en ny teoretisk studie publicerad den 2 februari i Nature att de äntligen har ett svar:'kvantfriktion.'

Den föreslagna förklaringen är den första indikationen på kvanteffekter på gränsen mellan ett fast ämne och en vätska, säger studiens huvudförfattare Nikita Kavokine, en forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics (CCQ) i New York City.

"Vatten-kolsystemet har förbryllat forskare i över ett decennium, och vi föreslår den första rimliga förklaringen till vad som händer," säger Kavokine. "Detta arbete visar ett samband mellan hydrodynamik och materiens kvantegenskaper som inte var uppenbara förrän nu."

I sin förklaring föreslår Kavokine och hans kollegor att de passerande vattenmolekylerna interagerar med elektroner i nanorörsväggarna, så att molekylerna och elektronerna trycker och drar i varandra och saktar ner flödet.

Denna effekt är starkast för nanorörsvarianter konstruerade av flera lager av enatomtjocka kolskikt. Det beror på att elektroner kan hoppa från lager till lager. För smalare nanorör orsakar geometriska begränsningar felinriktning mellan lagren. Forskarna föreslår att denna atomskaliga missanpassning hindrar elektronhopp, minskar friktionen och orsakar snabbare flöden genom tätare rör.

De teoretiska fynden kan ha betydande konsekvenser för föreslagna tillämpningar av kolnanorör, som att filtrera salt från havsvatten eller generera energi genom att använda skillnaden i salthalt mellan saltvatten och sötvatten. Mindre friktion betyder mindre energi behövs för att tvinga vatten genom rören.

"Vårt arbete beskriver radikalt nya sätt att kontrollera vätskeflödet på nanometerskala med hjälp av avancerade material", säger Lydéric Bocquet, forskningschef vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) i Paris. Tillsammans med Kavokine skrev han den nya studien tillsammans med Marie-Laure Bocquet, som också är forskningschef vid CNRS.

Forskarna övervägde nanorör med diametrar från 20 till 100 nanometer. Som jämförelse är en vattenmolekyl 0,3 nanometer tvärs över. Rören kan vara så små tack vare deras robusta konstruktionsmaterial, grafen:enatomtjocka ark av kolatomer i ett bikakemönster. När du staplar flera grafenlager får du grafit (som den som finns i blyertspenna).

Sedan 2005 har forskare mätt hur snabbt och enkelt vatten rör sig genom kolnanorör. Eftersom de är så små skulle nanorör göra ganska hemska sugrör:vätskan strömmar med bara miljarddels liter per sekund.

Men vätskan rör sig åtminstone med väldigt lite motstånd eftersom grafenväggarna i rören är helt släta. Denna brist på ytjämnhet minskar motståndet på passerande vattenmolekyler. Grafenen fångar inte heller molekyler på sin yta som många andra material gör. De fångade molekylerna kan på liknande sätt bromsa flödet.

Mätningar i tidiga studier antydde att vatten flyter nästan friktionsfritt genom nanorören. 2016 dock en experimentell studie i Nature medförfattare av Lydéric Bocquet fann att mängden friktion beror på nanorörets radie. Förvirrande nog gick friktionseffekten upp för större nanorör. Det var inte vettigt, eftersom de större rören borde vara lika släta som de mindre. Dessa konstigheter ledde till debatt inom området och blev viktiga kunskapsluckor i studiet av nanoskalaflöden.

Eftersom existerande teorier om vätskedynamik misslyckades, grävde Kavokine och hans kollegor djupare in i egenskaperna hos grafenväggarna. Ett sådant tillvägagångssätt är ovanligt för att studera vätskor, säger Kavokine. "Inom hydrodynamik är väggen bara en vägg, och du bryr dig inte om vad väggen är gjord av. Vi insåg att på nanoskalan blir det faktiskt väldigt viktigt." I synnerhet insåg Kavokine att kvanteffekter vid grafen-vattengränssnittet kunde skapa friktion genom att tillåta det strömmande vattnet att skingra energi till de strömmande elektronerna i grafenet.

Överraskande nog hjälpte covid-19-pandemin forskningen. "Det fanns en brant teoretisk inlärningskurva för att ta itu med det här problemet," säger Kavokine. "Jag var tvungen att läsa många grundläggande böcker och lära mig nya saker, och det hjälpte verkligen att vara inlåst i flera månader."

En avgörande faktor var att en del av elektronerna i grafen kan röra sig fritt genom materialet. Dessutom kan dessa elektroner interagera med vattenmolekyler elektromagnetiskt. Det beror på att varje vattenmolekyl har en något positivt laddad ände och en något negativt laddad ände på grund av att syreatomen drar kraftigare på elektronmolnet än väteatomerna.

I forskarnas förklaring rör sig elektroner i grafenväggen tillsammans med passerande vattenmolekyler. Men elektronerna tenderar att släpa efter något, vilket saktar ner molekylerna. Denna effekt är känd som elektronisk eller kvantfriktion och har endast tidigare ansetts vara en faktor i interaktioner mellan två fasta ämnen eller en enda partikel och en fast substans.

Situationen är dock mer komplex när det handlar om en vätska, där många molekyler interagerar tillsammans. Elektronerna och vattenmolekylerna skakar på grund av sin värmeenergi. Om de råkar vicka med samma frekvens uppstår en effekt som kallas resonans som ökar kvantfriktionskraften. Denna resonanseffekt är störst för nanorör med väljusterade lager, eftersom elektronernas rörelse mellan lagren är synkroniserad med vattenmolekylernas.

Denna nyfunna interaktion mellan vätskor och fasta ämnen gick obemärkt förrän nu av två huvudsakliga skäl, säger Kavokine. För det första är den resulterande friktionen så liten att den skulle vara försumbar för material med grövre ytor. För det andra beror effekten på att elektronerna tar lite tid att anpassa sig till de rörliga vattenmolekylerna. Molekylära simuleringar kan inte upptäcka friktionen eftersom de använder Born-Oppenheimer-approximationen, som antar att elektroner omedelbart anpassar sig till närliggande atomers rörelse.

Den nya studien är teoretisk, så forskarna säger att experiment behövs för att bekräfta deras förslag och utforska några av dess kontraintuitiva konsekvenser. De påpekar också att det finns ett behov av förbättrade simuleringar som inte förlitar sig på Born-Oppenheimer approximation. "Jag hoppas att detta förändrar vårt sätt att hantera dessa system och ger nya teoretiska verktyg till andra problem", säger Kavokine. + Utforska vidare

Kontroll över vattenfriktionen med 2D-material pekar på "smarta membran"