<a href="https://platoblockchain.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-4.jpg" data-caption="با جریان حرکت کنید جریان آب از طریق نانولوله های کربنی را می توان با بهره برداری از اثرات کوانتومی عجیبی که در مقیاس نانو ظاهر می شود، کنترل کرد. (با احترام: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)”>

اگر زیر دوش چکه ای ایستاده اید و از فشار کم آب خود می نالید، یک محاسبه پشت پاکت، رابطه بین ویسکوزیته آب، فشار و اندازه لوله های آب را به شما نشان می دهد. اگر لوله‌های شما به عرض چند میکرون کوچک شده بودند، باید بدانید که چقدر اصطکاک بین آب و خود لوله وجود دارد که در مقیاس میکرو قابل توجه است.

اما چه اتفاقی می‌افتد اگر لوله‌های شما آنقدر باریک بودند که تنها چند مولکول آب می‌توانستند در آن واحد وارد شوند؟ در حالی که لوله کشی در مقیاس نانو ممکن است هم غیرعملی و هم غیرممکن به نظر برسد، این چیزی است که ما واقعاً می توانیم به لطف نانولوله های کربنی بسازیم. بلافاصله پس از فیزیکدان ژاپنی سومیو ایجیما نانولوله های کربنی چند جداره را در سال 1991 کشف کرد.طبیعت 354 56محققان شروع به این سوال کردند که آیا می توان از این ساختارهای کوچک به عنوان لوله هایی در مقیاس مولکولی برای مکیدن و انتقال مایعات استفاده کرد.

نانولوله‌های کربنی دارای دیواره‌هایی هستند که آب را دفع می‌کنند و دانشمندان را وادار می‌کند که تصور کنند آب ممکن است بدون اصطکاک از میان این ساختارها عبور کند. با چنین جریان کارآمدی، صحبت از استفاده از نانولوله‌ها برای نمک‌زدایی آب، تصفیه آب و سایر فناوری‌های «نانوسیال» بود.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg" data-caption="کادو پیچ شده Artist’s impression of the concentric graphene layers in a multi-wall carbon nanotube. (Courtesy: iStock/theasis)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.net/wp-content/uploads/2024/04/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale-physics-world-1.jpg”>

با توجه به دینامیک سیالات استاندارد، اصطکاک بین مایع جاری و دیواره لوله نباید با باریک شدن لوله تغییر کند. با این حال، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که وقتی آب از میان یک نانولوله کربنی جریان می‌یابد، لغزنده بودن لوله به قطر آن بستگی دارد.

به نظر می رسد که در مقیاس نانو، قوانین مکانیک سیالات توسط جنبه های مکانیکی کوانتومی برهمکنش بین آب و کربن کنترل می شود.

به نظر می رسد که در مقیاس نانو، قوانین مکانیک سیالات توسط جنبه های مکانیکی کوانتومی برهمکنش های بین آب و کربن کنترل می شود و می تواند پدیده جدیدی به نام "اصطکاک کوانتومی" را ایجاد کند. اصطکاک اغلب آزاردهنده است، اما اینکه در اینجا یک مشکل باشد یا یک فرصت، به نبوغ ما بستگی دارد.

اصطکاک کوانتومی ممکن است برای توسعه حسگرهای جریان در مقیاس نانو یا ساخت دریچه‌های بسیار ریز برای نانوسیال‌ها مورد استفاده قرار گیرد. کشف این اثر کوانتومی شگفت‌انگیز - که حتی در دمای اتاق هم کار می‌کند - جعبه اسباب‌بازی را برای کاربردهای عملی نانوتکنولوژی و فیزیک مولکولی نظری به طور یکسان باز کرده است. برای «لوله‌کش‌های کوانتومی»، ما فقط در ابتدای کشف آنچه در داخل است هستیم.

لوله های لغزنده

داستان به طور جدی در اوایل دهه 2000 شروع می شود، زمانی که شبیه سازی های کامپیوتری جریان آب از طریق نانولوله های کربنی انجام می شود.طبیعت 438 44 و طبیعت 414 188) نشان داد که مولکول های آب در واقع با اصطکاک بسیار کم از دیواره لوله عبور می کنند. این نرخ جریان قابل توجهی را ایجاد می کند، حتی سریعتر از کانال های پروتئینی تخصصی در مقیاس نانو که سطح آب را در سلول های حیوانی و گیاهی تنظیم می کند.

شبیه سازی های دیگر، انجام شده توسط بن کوری در دانشگاه ملی استرالیا، پیشنهاد کرد که اگر نانولوله ها فقط چند اونگستروم عرض داشته باشند - به طوری که فقط چند مولکول آب در قطر قرار گیرند - ساختارها می توانند نمک ها را فیلتر کنند.J. Phys. شیمی. ب 112 1427). این به این دلیل است که یون‌های نمک محلول توسط یک "پوسته هیدراتاسیون" از مولکول‌های آب احاطه شده‌اند که برای عبور از لوله باید خیلی بزرگ باشد. این یافته احتمال ایجاد غشاهای نمک‌زدایی از آرایه‌های نانولوله‌های هم‌راستا را با اصطکاک کم که نرخ جریان آب بالا را تضمین می‌کند، افزایش داد.

آزمایشات اولیه بر روی چنین غشاهایی (علم 312 1034) در دهه 2000 توسط اولگیکا باکاجینگروه در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور در کالیفرنیا وعده داده شد (شکل 1). اما کاربردهای عملی ساخت غشاهای مقاوم و مقرون به صرفه با نانولوله‌هایی که همگی اندازه هستند، به پیشرفت نسبتاً کندی منجر شده است.

نگاه دقیق‌تر به جریان آب در نانولوله‌ها همه چیز را پیچیده‌تر کرد. در سال 2016 فیزیکدان لیدریک بوکت از Ecole Normale Supérieure در پاریس و همکارانش آزمایش‌هایی انجام دادند که نشان داد آبی که تحت فشار از طریق نانولوله‌های کربنی جریان می‌یابد، با کوچک‌تر شدن قطر لوله از حدود 100 نانومتر، سریع‌تر می‌شود.طبیعت 537 210). به عبارت دیگر، نانولوله‌ها هر چه ریزتر می‌شوند، لغزنده‌تر به نظر می‌رسند. با این حال، برای نانولوله‌های ساخته شده از نیترید بور، نرخ جریان اصلاً به قطر لوله بستگی ندارد، که دقیقاً همان چیزی است که از مدل‌های کلاسیک ساده انتظار می‌رود.

نانولوله های کربنی از لایه های متحدالمرکز گرافن ساخته شده اند که متشکل از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری 1 بعدی قرار گرفته اند. ورقه های گرافن رسانای الکتریکی هستند - دارای الکترون های متحرک هستند - در حالی که نیترید بور عایق است، علی رغم داشتن ساختار شبکه شش ضلعی.

این تفاوت باعث شد که Bocquet و همکارانش گمان کنند که این رفتار غیرمنتظره ممکن است به نحوی با حالت های الکترونی در دیواره لوله مرتبط باشد. برای افزودن به این معما، آزمایش‌های دیگر نشان دادند که آب سریع‌تر از کانال‌های ساخته شده از گرافین در مقیاس نانو به سمت کانال‌های ساخته شده از گرافین - که فقط لایه‌های روی هم از گرافن است - جریان می‌یابد. لایه های متحدالمرکز گرافن در یک نانولوله کربنی ساختاری شبیه گرافیت به آن ها می دهد، بنابراین این می تواند برای درک چگونگی انتقال آب از طریق نانولوله ها کلیدی باشد.

حل این معمای تئوریک وسوسه انگیز می تواند پیامدهای مهمی برای استفاده های عملی از غشاهای نانولوله ای داشته باشد. می‌گوید: «چنین جریان‌هایی در مرکز انواع فرآیندها در علم غشاء قرار دارند نیکیتا کاووکین، یک فیزیکدان در موسسه تحقیقات پلیمری ماکس پلانک در ماینتس آلمان ما می خواهیم بتوانیم موادی بسازیم که از نظر نفوذپذیری آب و انتخاب یون عملکرد بهتری داشته باشند.

در سال 2022 بوکت راه حلی را با شیمیدان پیشنهاد کرد ماری لور باکت و Kavokine (که در آن زمان در ENS بود) - مفهوم اصطکاک کوانتومی (طبیعت 602 84). آنها استدلال کردند که جریان آب بر روی گرافیت می تواند توسط نوعی کشش ایجاد شده توسط برهمکنش نوسانات بار در آب با تحریکات موج مانند در الکترون های متحرک صفحات گرافن کاهش یابد.

در نگاه اول، بعید به نظر می‌رسد که الکترون‌های بسیار سبک با اتم‌ها و مولکول‌های بسیار سنگین‌تر تعامل داشته باشند، زیرا آنها با چنین سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند. Kavokine می گوید: «ایده ساده این است که الکترون ها بسیار سریعتر از مولکول های آب حرکت می کنند، بنابراین آنها هرگز به صورت دینامیکی با یکدیگر صحبت نمی کنند.»

تفاوت بزرگ در مقیاس‌های زمانی بین حرکات الکترون‌ها و اتم‌ها اساس این حرکت است تقریب متولد – اوپنهایمر، که به ما امکان می دهد حالت های الکترونیکی اتم ها و مولکول ها را بدون نگرانی در مورد تأثیر حرکات اتمی محاسبه کنیم. همانطور که باکت اعتراف می کند، زمانی که او و همکارانش برای اولین بار تصمیم گرفتند امکان چنین تعاملی را بررسی کنند، "ما با ایده های بسیار مبهم و نه خوش بینانه شروع کردیم".

اما هنگامی که محققان محاسبات را انجام دادند، دریافتند که راهی وجود دارد که الکترون‌های موجود در گرافیت و مولکول‌های موجود در آب یکدیگر را احساس کنند. این به این دلیل است که حرکات حرارتی مولکول‌های آب باعث ایجاد تفاوت‌های کوتاه مدت در چگالی از مکانی به مکان دیگر می‌شود. و از آنجایی که مولکول های آب قطبی هستند - آنها دارای توزیع نامتقارن بار الکتریکی هستند - این نوسانات چگالی نوسانات بار متناظری به نام حالت های دبی را در مایع ایجاد می کنند. ابر الکترونی در گرافیت نیز نوسانات بار موج مانندی را نشان می دهد که به صورت شبه ذرات معروف به "پلاسمون" رفتار می کنند (شکل 2).

به گفته فیزیکدان آماری جیانکارلو فرانزه از دانشگاه بارسلوناکلید درک اصطکاک کوانتومی این است که بدانیم ویژگی‌های آب باید به عنوان یک مشکل چند جسمی در نظر گرفته شود: نوساناتی که باعث حالت‌های Debye می‌شوند جمعی هستند، نه صرفاً مجموع ویژگی‌های تک مولکولی.

Bocquet و همکارانش دریافتند که هر دو امواج پلاسمون در حالت گرافیت و Debye در آب ممکن است با فرکانس هایی در حدود چند تریلیون در ثانیه - در محدوده تراهرتز - رخ دهند. این به این معنی است که می‌تواند بین این دو رزونانس وجود داشته باشد، به طوری که یکی می‌تواند توسط دیگری برانگیخته شود، همانطور که خواندن یک نت با صدای بلند می‌تواند یک سیم پیانوی بدون میرایی را در صورتی که صدای یکسانی داشته باشد به لرزه درآورد.

به این ترتیب، آبی که بر روی یک سطح گرافیت جریان دارد، می‌تواند تکانه را به پلاسمون‌های درون گرافیت منتقل کند و در نتیجه کند شده و درگ را تجربه می‌کند. به عبارت دیگر، تقریب Born–Oppenheimer در اینجا شکسته می‌شود: اثری که بوکت آن را «یک شگفتی بزرگ» می‌نامد.

مهم‌تر از همه، پلاسمون‌های موجود در گرافیت که به شدت با آب جفت می‌شوند، در اثر پرش الکترون‌ها بین صفحات گرافن روی هم ایجاد می‌شوند. بنابراین آنها در صفحات منفرد گرافن وجود ندارند (شکل 3). باکت و همکارانش فهمیدند که این توضیح می‌دهد که چرا آب روی گرافیت کندتر از روی گرافن جریان می‌یابد – زیرا فقط در مورد اول اصطکاک کوانتومی قوی وجود دارد.

اما آیا این توضیح می دهد که چگونه سرعت جریان آب در یک نانولوله کربنی به قطر لوله بستگی دارد؟ در نانولوله‌های بزرگ با قطرهای بالاتر از حدود 100 نانومتر، جایی که دیواره‌ها انحنای نسبتاً کمی دارند، جفت شدن حالت‌های الکترونیکی بین لایه‌های گرافن انباشته تقریباً مانند گرافیت معمولی با ورقه‌های مسطح است، بنابراین اصطکاک کوانتومی توسط آب تجربه می‌شود. جریان در حداکثر قدرت خود است.

اما با باریک‌تر شدن لوله‌ها و انحنای شدید دیواره‌های آن‌ها، برهم‌کنش‌های الکترونیکی بین لایه‌های دیواره‌شان ضعیف‌تر می‌شود و لایه‌ها بیشتر شبیه صفحات گرافن مستقل عمل می‌کنند. بنابراین کمتر از قطر 100 نانومتر، اصطکاک کوانتومی کاهش می‌یابد، و اگر لوله‌ها باریک‌تر از حدود 20 نانومتر باشند، اصلاً وجود ندارد - لوله‌ها به همان اندازه لغزنده هستند که تئوری‌های کلاسیک پیش‌بینی می‌کنند.

به طور عجیبی، در این مورد، به نظر می رسد "کوانتومی" کمتری در سیستم وجود دارد، زیرا کوچکتر می شود.

می گوید: «کار لیدریک فوق العاده هیجان انگیز است آنجلوس مایکلیدس، یک شیمیدان نظری از دانشگاه کمبریج در بریتانیا، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دقیق رابط آب-گرافن تأیید کرد که اصطکاک کوانتومی رخ می‌دهد (نانو لت. 23 580).

یکی از ویژگی های عجیب اصطکاک کوانتومی این است که بر خلاف همتای کلاسیک خود، متکی به تماس مستقیم بین دو ماده در حرکت نسبی نیست. اصطکاک کوانتومی سرعت آب را کاهش می دهد حتی اگر یک لایه خلاء نازک بین آن و نانولوله کربنی وجود داشته باشد. ساندرا ترویان از انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در پاسادنا، که مکانیک سیالات رابط‌ها را مطالعه می‌کند، می‌گوید که این "اصطکاک در فاصله" مربوط به ایده بسیار قبلی است که در سال 1989 توسط فیزیکدان روسی لئونید لویتوف پیشنهاد شده بود.EPL 8 499).

نوسانات در توزیع الکترون در اطراف اتم ها به این معنی است که اتم ها، مولکول ها و مواد خنثی می توانند یک نیروی الکترواستاتیک ضعیفی به نام نیروی واندروالس بر یکدیگر وارد کنند. لویتوف استدلال می‌کرد که این می‌تواند باعث ایجاد کشش بر روی اجسام در حال حرکت از کنار یکدیگر شود، حتی زمانی که توسط خلاء از هم جدا شوند. ترویان می‌گوید: «لویتوف کل توپ مفهومی را با پیشنهاد اینکه اثرات کوانتومی در فاصله‌ای دور می‌تواند نیروی اصطکاک ایجاد کند، بدون تماس فیزیکی مستقیم به حرکت درآورد.

لوله کشی در مقیاس نانو

همه اینها در تئوری خوب به نظر می رسد، اما آیا می توان این ایده را در یک آزمایش تجربی قرار داد؟ برای انجام این کار، Kavokine با آنها همکاری کرده است میشا بنهمچنین در ماینتس، متخصص در استفاده از طیف‌سنجی برای بررسی دینامیک آب. بن اعتراف می کند که در ابتدا بدبین بود. بچه‌ها فکر می‌کردم این یک نظریه واقعاً جالب است، اما هیچ راهی وجود ندارد که آن را در دمای اتاق ببینید. اما او قبول کرد که آن را امتحان کند.

بن توضیح می دهد: «اصطکاک انتقال حرکت است. اما چگونه می توانیم آن را اندازه گیری کنیم؟ خوب، من می‌توانم انتقال انرژی را اندازه‌گیری کنم – این همان کاری است که ما معمولاً در طیف‌سنجی انجام می‌دهیم.» بنابراین کاوکین نظریه اصطکاک کوانتومی را بازنویسی کرد تا انتقال انرژی را به جای انتقال تکانه کمیت کند. سپس آنها شروع کردند تا ببینند آیا می توانند چنین انتقال انرژی را بین دینامیک الکترون و آب تشخیص دهند.

محاسبات پیش‌بینی کردند که اصطکاک کوانتومی در گرافن ضعیف‌تر از گرافیت است، اما تیم بن آزمایشی با گرافن ابداع کردند زیرا قبلاً دینامیک الکترون آن را مطالعه کرده بودند. بن توضیح می‌دهد که تک لایه گرافن دارای یک پلاسمون درون صفحه‌ای است که نوسانات آب می‌تواند با آن جفت شود، بنابراین اصطکاک کوانتومی همچنان باید وجود داشته باشد، اگرچه این اثر ضعیف‌تر از گرافیت خواهد بود.

محققان از پالس های لیزر نوری برای برانگیختن الکترون ها در یک صفحه گرافن غوطه ور در آب استفاده کردند که در واقع دمای الکترونیکی را به طور ناگهانی افزایش داد به طوری که از تعادل با آب خارج شد.نانوتکنولوژی طبیعت 18 898). Bonn می‌گوید: «زمان خنک‌سازی ذاتی خاصی وجود دارد.» این به عنوان نرخ خنک‌سازی در خلاء در نظر گرفته می‌شود. اما اگر انتقال انرژی قابل توجهی [بین پلاسمون‌های گرافن و حالت‌های آب Debye] وجود داشته باشد، در آن صورت این سرعت خنک‌سازی باید با وجود آب افزایش یابد.

و این دقیقاً همان چیزی است که آنها دیدند. با سرد شدن الکترون ها، توانایی جذب نور در محدوده فرکانس تراهرتز افزایش می یابد. با نظارت بر جذب پالس‌های تراهرتزی که در زمان‌های مختلف پس از پالس لیزری هیجان‌انگیز اولیه شلیک می‌شوند، بن و همکارانش توانستند نرخ خنک‌سازی را استنباط کنند. در این مورد، به نظر می‌رسد که انتقال انرژی بین آب و الکترون‌ها وجود دارد - نشانه‌ای از اصطکاک کوانتومی - حتی برای تنها یک لایه گرافن (شکل 4).

در مقابل، زمانی که گرافن در متانول یا اتانول غوطه ور شد، سرعت سرد شدن الکترون ها کمتر از خلاء بود. این مایعات قطبی هستند اما حالت های دبای در فرکانس های مناسب ندارند و صرفاً آرامش حرارتی الکترون ها را مهار می کنند.

بن با خوشحالی اعتراف می کند: «غرایز اولیه من اشتباه بود، بنابراین وقتی کار کرد، شگفتی بسیار خوشایندی بود.» اما در حالی که او می‌گوید که نتایج از نظر کمی با پیش‌بینی‌های نظری همخوانی دارد، آزمایش‌های بیشتری برای اثبات آن مورد نیاز است. علاوه بر این، آنها تا کنون فقط به صفحات گرافن مسطح در تماس با آب حجیم نگاه کرده اند. او می‌گوید: «ما واقعاً می‌خواهیم به سمت آب‌های نانومحدود برویم.

فراتر از یک رویای لوله

آیا می توان از اصطکاک کوانتومی به خوبی استفاده کرد؟ Kavokine امیدوار است، و اصطلاح "لوله کشی کوانتومی" را برای توصیف تلاش ها برای انجام این کار ابداع کرده است. بوکت می گوید: «ما می توانیم ببینیم که چگونه کار مکانیکی [مانند جریان سیال] می تواند مستقیماً با حرکت الکترونیکی صحبت کند. به عنوان مثال، اگر مایعی را حرکت دهید، می توانید یک جریان الکترونیکی را القا کنید.

محققان اکنون به این فکر می‌کنند که چگونه از تبدیل مستقیم انرژی بین کار مکانیکی و حرکت الکترون استفاده کنند - برای مثال، با برداشت انرژی جریان‌های زباله برای تولید جریان‌های الکترونیکی یا استفاده از کنترل الکترونیکی برای تغییر نرخ جریان و در نتیجه ایجاد دریچه‌های در مقیاس نانو یا پمپ ها بن تأیید می کند: «این غیرممکن نیست.

Kavokine اشاره می کند که سیستم های بیولوژیکی - به لطف قابلیت تنظیم ساختاری خوب پروتئین ها - در کنترل جریان ها در مقیاس های بسیار کوچک بسیار خوب هستند. در حالی که او فکر می‌کند «بعید» است که کسی بتواند به آن درجه از تنظیم‌پذیری ساختاری دست یابد، «[کار ما] نشان می‌دهد که می‌توانیم به جای آن با تنظیم‌پذیری الکترونیکی برای دستیابی به عملکردهای مشابه با فیزیک بسیار متفاوت بازی کنیم» - چیزی که او آن را «مسیر ضد بیومیمتیک» می‌نامد. ” به جریان نانو مهندسی.

Franzese می گوید درک اصطکاک کوانتومی می تواند برای ساخت مواد با اصطکاک کم مفید باشد. او می‌گوید: «روغن‌کننده‌ها اغلب به‌عنوان راه‌حل استفاده می‌شوند، اما بسیاری از آنها پایدار نیستند»، بنابراین طراحی ماده‌ای با اصطکاک ذاتی کم گزینه بهتری خواهد بود. علاوه بر این، رویکرد در نظر گرفتن ماهیت رابط آب- جامد به عنوان یک مشکل چند بدنه "می تواند پیامدهایی در زمینه های دیگر مانند فیلتر کردن و جداسازی مخلوط های سیال داشته باشد".

سرما: چگونه فیزیکدانان یاد گرفتند که ذرات را با خنک کننده لیزری دستکاری و حرکت دهند

در همین حال، Michaelides و Bocquet در حال بررسی این ایده هستند که از تحریکات الکترونیکی یک صفحه گرافیت به عنوان واسطه استفاده کنند تا به دو جریان در دو طرف آن اجازه ارتباط برقرار کنند، به طوری که یکی ممکن است دیگری را القا کند: آنچه آنها تونل سازی جریان می نامند. شبیه سازی آنها نشان می دهد که در اصل باید امکان پذیر باشد.

ترویان می‌گوید: «من بسیاری از کاربردهای مهم این کار [در مورد اصطکاک کوانتومی] را متصور هستم، از سیستم‌های بیولوژیکی گرفته تا مواردی که شامل جداسازی مبتنی بر غشاء، نمک‌زدایی، باتری‌های مایع، نانوماشین‌ها و موارد دیگر می‌شود.»

صرف نظر از آنچه که لوله کش کوانتومی در نهایت تولید می کند، همانطور که Bocquet به طور منظم نتیجه می گیرد، "این یک زمین بازی بسیار خوب است".

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/