Sciencemag.cz
Doporučujeme
Již asi 15 let vědce mate způsob, jímž voda protéká uhlíkovými nanotrubičkami se stěnami o tloušťce až jediného atomu. Z pohledu teorie dynamiky tekutin se zde děje něco podivného; kapalina paradoxně prochází užšími nanotrubičkami snadněji a ve všech nanotrubičkách se navíc pohybuje téměř bez tření.
Nová studie uvádí, že vysvětlením by mohlo být spojení kvantové mechaniky a hydrodynamiky, konkrétně tzv. kvantové tření.
Hlavní autor studie Nikita Kavokine z Flatiron Institute v New Yorku říká, že jde o vůbec první zachycený kvantový jev probíhající na rozhraní pevné látky a kapaliny. Základní popis celého jevu zní tak, že molekuly protékající vody interagují s elektrony ve stěnách nanotrubiček, což mění vlastnosti toku. Uvádí se, že nanotrubičky jsou přímo z grafenu, v němž zase fungují speciální pravidla pro pohyb elektronů (některé se pohybují „volně“). U molekuly vody zase hraje roli to, že je polární (PH: jinak by podobný efekt nenastal, nebo jen v menší míře?). „Kvantové efekty na rozhraní grafenu a vody mohou způsobovat tření tím, že umožňují tekoucí vodě rozptýlit energii do elektronů pohybujících v grafenu,“ praví tisková zpráva Simons Foundation vydaná ke studii. Podle vysvětlení vědců se pak elektrony ve stěně grafenu pohybují spolu s procházejícími molekulami vody. Elektrony však mají tendenci mírně zaostávat, čímž molekuly zpomalují. Tento efekt je znám jako elektronické nebo kvantové tření, dosud ale byl zaznamenán pouze při interakcích mezi dvěma pevnými látkami nebo jednou částicí a pevnou látkou.
Popsaný jev má být nejsilnější u variant nanotrubiček zkonstruovaných z více vrstev atomů uhlíku, protože elektrony zde mohou přeskakovat z vrstvy na vrstvu. U užších nanotrubiček způsobují geometrická omezení nesoulad mezi vrstvami. Výzkumníci předpokládají, že tento nesoulad v atomárním měřítku přeskakování elektronů brání, snižuje tření, a tím způsobuje rychlejší průtok v užších trubičkách. (Další popis probíhajících jevů: Elektrony v grafenu i molekuly vody podléhají tepelnému pohybu. Přitom může dojít k jejich rezonanci, což kvantové tření dále zvyšuje. Tento rezonanční efekt je největší u nanotrubiček s dobře uspořádanými vrstvami.)
Výsledky studie by se mohly využít v řadě aplikací uhlíkových nanotrubiček, jako je filtrování soli z mořské vody nebo výroba energie s využitím rozdílu ve slanosti slané a sladké vody. Menší tření znamená, že k protlačení vody trubičkami s určitými vlastnostmi bude zapotřebí méně energie. Obecně lze říci, že uhlíkové nanotrubičky jsou zevnitř zcela hladké a také se na nich nezachycují molekuly vody, které by se pak srážely s těmi, co přitékají po nich. Větší nanotrubičky jsou stejně hladké jako ty menší, proto bylo záhadou, že se tření zvyšovalo s průměrem.
V rámci studie se vědci zabývali nanotrubičkami o průměru od 20 do 100 nanometrů. Pro srovnání, molekula vody má průměr 0,3 nanometru. Průtok v trubičce dosahuje řádově miliardtinu litru za sekundu.
Třeba ovšem dodat, že nová studie je teoretická, bude potřeba výsledky ověřit pomocí experimentů a zejména se podívat na to, zda skutečně dochází k některých neintuitivním jevům, jejichž existenci studie předpokládá.
Lydéric Bocquet, Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04284-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04284-7
Zdroj: Simons Foundation / Phys.org
Poznámka PH: V originální tiskové zprávě se z mého laického pohledu trochu motá průměr trubičky a tloušťka jejího pláště (i když ono to možná nějak bude souviset i konstrukčně, že by nanotrubička o větším průměru při plášti z jediné atomové vrstvy nevydržela apod.).
