Do tej pory tarcia kwantowego nie udawało się zaobserwować w takiej postaci

Tarcie kwantowe nieuchwytne przez 15 lat. Wreszcie jest potwierdzenie

Tarcie kwantowe spowalnia przepływ wody przez nanorurki węglowe. Na rozwiązanie zagadki czekano 15 lat.

Zespół Nikity Kavokine z Instytutu Flatiron wykazał, że cząsteczki wody oddziałują z elektronami w ściankach nanorurek węglowych, co powoduje ich wzajemne przesuwanie się i przyciąganie oraz spowalnia sam przepływ. To pierwszy dowód na istnienie efektów kwantowych na granicy ciało stałe-ciecz.

Co spowalnia wodę?

Fizycy przez 15 lat byli zaskoczeni sposobem, w jaki woda płynie w nanorurkach węglowych. Paradoksalnie, płyn łatwiej przepływa przez węższe nanorurki, a we wszystkich porusza się niemal bez tarcia. Teraz naukowcy z Instytutu Flatiron połączyli wiedzę z zakresu dynamiki płynów i mechaniki kwantowej, tworząc opis tzw. tarcia kwantowego. Jest to pierwsze proponowane wyjaśnienie efektów kwantowych na granicy ciała stałego i cieczy. Wyniki zostały opisane w Nature.

System woda-węgiel zastanawiał naukowców przez ponad dekadę, a my proponujemy pierwsze rozsądne wyjaśnienie tego, co się dzieje. Ta praca pokazuje związek między hydrodynamiką a kwantowymi właściwościami materii, który do tej pory nie był oczywisty.

Nikita Kavokine

Zdaniem Kavikine, przemieszczające się cząsteczki wody oddziałują z elektronami w ściankach nanorurek węglowych, w taki sposób, że naciskają na siebie nawzajem, spowalniając sam przepływ.

Czytaj też: Druga zasada termodynamiki wzmocniona. Komputery kwantowe coraz bliżej?

Efekt ten jest najsilniejszy w przypadku nanorurek zbudowanych z wielu warstw arkuszy węgla o grubości jednego atomu. Dzieje się tak, gdyż elektrony mogą przeskakiwać z warstwy na warstwę. Odkrycia naukowców z Nowego Jorku mogą mieć ważny wpływ na proponowane zastosowania nanorurek węglowych – do filtrów soli z wody morskiej lub generowania energii przy wykorzystaniu różnicac w zasoleniu wody słodkiej i słonej. Mniejsze tarcie to mniejsza energia potrzebna do przepływu wody.

Nieznana forma interakcji

Fizycy przebadali nanorurki o średnicach od 20 do 100 nm. Dla porównania, cząsteczka wody ma średnicę 0,3 nm. Nanorurki swój rozmiar zawdzięczają grafenowi, z którego są zbudowane. Naukowcy od 2005 r. mierzyli, jak szybko woda może przemieszczać się przez nanorurki węglowe.

Czytaj też: Nowy sposób na obliczenia kwantowe. Bazuje na uwięzionych jonach

Ciecz porusza się z bardzo małym oporem, ponieważ grafenowe ścianki nanorurek są praktycznie gładkie. Ten brak chropowatości powierzchni zmniejsza opór, jaki jest stawiany przepływającym cząsteczkom wody. Pomiary sugerowały, że woda przepływa przez nanorurki praktycznie bez tarcia. Ale badania z 2016 r. wykazały, że wielkość tarcia zależy od promienia nanorurek. Efekt tarcia wzrastał w przypadku większych nanorurek, co nie miało sensu. Naukowcy wykoncypowali, że musi istnieć jakiś rodzaj tajemniczej interakcji.

W hydrodynamice ściana jest po prostu ścianą i nie obchodzi nas, z czego jest zrobiona. Uświadomiliśmy sobie, że w nanoskali staje się to bardzo ważne. Efekty kwantowe interfejsu grafen-woda mogą wytwarzać tarcie, pozwalając płynącej wodzie rozpraszać energię na przepływające elektrony w grafenie.

Nikita Kavokine

Odkryto, że niektóre z elektronów w grafenie mogą swobodnie poruszać się po materiale, oddziałując z cząsteczkami wody w sposób elektromagnetyczny. Badania Kavokine wykazały, że elektrony w ścianie grafenu poruszają się razem z cząsteczkami wody, ale pozostają nieco w tyle, spowalniając ruch samych cząsteczek. Efekt ten znany jest jako tarcie kwantowe. Do tej pory rozważano go jedynie jako czynnik występujący między dwoma ciałami stałymi lub pojedynczą cząsteczką a ciałem stałym.

Nowo odkryta interakcja pomiędzy cieczami i ciałami stałymi była do tej pory niezauważona z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, powstające tarcie jest tak niewielkie, że byłoby nieistotne w przypadku materiałów o bardziej chropowatych powierzchniach. Po drugie, efekt opiera się na tym, że elektrony potrzebują trochę czasu, aby dostosować się do poruszających się cząsteczek wody. Symulacje molekularne nie są w stanie wykryć tarcia, ponieważ wykorzystują przybliżenie Borna-Oppenheimera, które zakłada, że elektrony natychmiast dostosowują się do ruchu pobliskich atomów.

Nikita Kavokine

Naukowcy z Instytutu Flatiron teraz planują przeprowadzić eksperymenty potwierdzające ich obserwacje.