Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nová studie experimentálně demonstruje výsledky dosud předpovězené pouze teoreticky.
Posledních 20 let vědci intenzivně studují chování vody v blízkosti uhlíkových povrchů. Voda může po uhlíku proudit mnohem rychleji, než by vyplývalo z běžných teorií proudění, nebo vytvářet zvláštní uspořádání, jako je například čtvercový led. Výzkumníci nyní ukázali, že voda dokáže interagovat i přímo s elektrony uhlíku – jedná se o kvantový jev, který je v dynamice tekutin velmi neobvyklý. Vědci z Max Plank Institute for Polymer Research v Mohuči, španělského Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology a University of Manchester publikovali příslušné výsledky v Nature Nanotechnology.
Kapaliny, jako je voda, se skládají z malých molekul, které se náhodně pohybují a neustále se navzájem srážejí. Naproti tomu pevná látka je tvořena uspořádanými atomy, kde se mezi víceméně fixovanými jádry vyskytují v různé podobě oblaka elektronů. Předpokládá se, že pevný a kapalný svět na sebe vzájemně působí pouze prostřednictvím srážek molekul kapaliny s atomy pevné látky – molekuly kapaliny „nevidí“ elektrony pevné látky samostatně.
Teoretici ale již před více než rokem navrhli, že mezi vodou a uhlíkem by to mohlo fungovat jinak. Na rozhraní vody a uhlíku na sebe molekuly kapaliny a elektrony pevné látky měly různě tlačit a navzájem se tahat, což proudění kapaliny zpomaluje: tento nový efekt byl nazván kvantovým třením.
„K tomu, abychom viděli, jak kvantové tření opravdu funguje, jsme nyní využili lasery,“ uvádí hlavní autor studie Nikita Kavokine z Institutu Maxe Plancka v Mohuči a z newyorského Flatiron Institute. Vědci použili ultrakrátké červené laserové pulzy (s dobou trvání pouhé 10 na -15 sekundy, femptosekundy) k okamžitému zahřátí elektronového mračna grafenu. Poté sledovali jeho ochlazování pomocí terahertzových laserových pulzů, které jsou citlivé na teplotu elektronů grafenu. Tato technika se nazývá spektroskopie optickou pumpou s terahertzovou sondou (OPTP, optical pump—terahertz probe).
Překvapivě se ukázalo, že oblak elektronů se ochlazoval rychleji, když byl grafen ponořen do vody, zatímco ponoření grafenu do ethanolu rychlost ochlazování nijak nezměnilo. Znamená to další důkaz, že pár voda-uhlík se chová hodně nezvykle. Navrženým vysvětlením je, že horké elektrony se tlačí na molekuly vody a přitom se zbavují tepla; tzn. ochlazují se prostřednictvím kvantového tření.
Kvantové tření bylo mohlo získat i praktické uplatnění, hrát roli i v průmyslových procesech. Jev může být využit k ladění vlastností nanoporézních membrán při procesech, jako je filtrace nebo odsolování vody. Podle autorů studie má celý jev také potenciální důsledky pro elektrokatalýzu a fotokatalýzu na rozhraní pevné látky a kapaliny. Cílem dalšího výzkumu je např. naučit se kvantové tření řídit, tj. jev zapínat/vypínat.
Xiaoqing Yu et al, Electron cooling in graphene enhanced by plasmon–hydron resonance, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3
Zdroj: Max Planck Society / Phys.org, přeloženo/kráceno
