Los nanofluidos podrían usarse para purificar agua, generar energía y construir máquinas a nanoescala. Pero cuando el agua fluye a través de un nanotubo de carbono, la mecánica de fluidos clásica falla, lo que lleva a hallazgos experimentales desconcertantes que los investigadores han atribuido a un efecto llamado "fricción cuántica". Bola de felipe explica la
Si está parado bajo una ducha goteante lamentándose de la baja presión del agua, un cálculo aproximado le dará la relación entre la viscosidad del agua, la presión y el tamaño de sus tuberías de agua. Si sus tuberías se redujeran a unas pocas micras de ancho, también necesitaría saber cuánta fricción hay entre el agua y la tubería misma, lo que se vuelve significativo a microescala.
Pero, ¿qué pasaría si sus tuberías fueran tan estrechas que sólo pudieran pasar unas pocas moléculas de agua a la vez? Si bien la plomería a nanoescala puede parecer poco práctica e imposible, es algo que realmente podemos construir gracias a los nanotubos de carbono. Poco después el físico japonés Sumio Iijima descubrió los nanotubos de carbono de paredes múltiples en 1991 (Naturaleza 354 56), los investigadores comenzaron a preguntarse si estas pequeñas estructuras podrían usarse como tubos a escala molecular para aspirar y transportar líquidos.
Los nanotubos de carbono tienen paredes que repelen el agua, lo que lleva a los científicos a suponer que el agua podría atravesar estas estructuras casi sin fricción. Con un flujo tan eficiente, se habló del uso de nanotubos para la desalinización y purificación del agua y otras tecnologías "nanofluídicas".
Según la dinámica de fluidos estándar, la fricción entre un líquido que fluye y la pared de la tubería no debería cambiar a medida que la tubería se hace más estrecha. Sin embargo, los experimentos han demostrado que cuando el agua fluye a través de un nanotubo de carbono, la resbaladiza del tubo depende de su diámetro.
Resulta que a escala nanométrica, las leyes de la mecánica de fluidos se rigen por los aspectos mecánico-cuánticos de las interacciones entre el agua y el carbono.
Resulta que a escala nanométrica, las leyes de la mecánica de fluidos se rigen por los aspectos mecánico-cuánticos de las interacciones entre el agua y el carbono, y pueden dar lugar a un nuevo fenómeno denominado “fricción cuántica”. La fricción suele ser una molestia, pero si se trata de un problema o de una oportunidad depende de nuestro ingenio.
La fricción cuántica podría aprovecharse para desarrollar sensores de flujo a nanoescala o fabricar válvulas ultrapequeñas para nanofluidos. El descubrimiento de este sorprendente efecto cuántico (que funciona incluso a temperatura ambiente) ha abierto un espacio para aplicaciones prácticas de nanotecnología y física molecular teórica por igual. Para los "fontaneros cuánticos", apenas estamos comenzando a descubrir qué hay dentro.
Tubos resbaladizos
La historia comienza en serio a principios de la década de 2000, cuando las simulaciones por computadora del agua que fluye a través de nanotubos de carbono (Naturaleza 438 44 y Naturaleza 414 188) demostró que las moléculas de agua se mueven con muy poca fricción a través de la pared del tubo. Esto crea caudales impresionantes, incluso más rápidos que a través de los canales de proteínas especializados a nanoescala que regulan los niveles de agua en las células animales y vegetales.
Otras simulaciones, realizadas por Ben Corry en el Universidad Nacional de Australia, sugirió que si los nanotubos tuvieran solo unos pocos ångstroms de ancho (de modo que solo unas pocas moléculas de agua cupieran dentro del diámetro), las estructuras podrían filtrar las sales (J. Phys. Chem si 112 1427). Esto se debe a que los iones de sal disueltos están rodeados por una “capa de hidratación” de moléculas de agua, que debería ser demasiado grande para pasar a través del tubo. Este hallazgo planteó la posibilidad de crear membranas de desalinización a partir de conjuntos de nanotubos alineados, cuya baja fricción garantice altos caudales de agua.
Los primeros experimentos con tales membranas (Ciencia: 312 1034) en la década de 2000 por Olgica Bakajinel grupo de Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California se mostró prometedor (figura 1). Pero los aspectos prácticos de fabricar membranas robustas y rentables con nanotubos del mismo tamaño han llevado a un progreso bastante lento.
1 Necesidad de velocidad
La superficie hidrófoba del grafeno lo convierte en un material atractivo para tuberías a nanoescala de baja fricción, pero resulta que el flujo también es sensible al tamaño del nanotubo.
Una mirada más cercana al flujo de agua en los nanotubos complicó aún más las cosas. En 2016 físico Lydéric Bocquet de las Ecole Normale Supérieure en París y sus colaboradores llevaron a cabo experimentos que mostraban que el agua que fluye bajo presión a través de nanotubos de carbono se vuelve más rápido a medida que el diámetro del tubo se hace más pequeño que aproximadamente 100 nm (Naturaleza 537 210). En otras palabras, los nanotubos parecen más resbaladizos cuanto más pequeños se vuelven. Sin embargo, en el caso de los nanotubos fabricados a partir de nitruro de boro, los caudales no dependían en absoluto del diámetro del tubo, lo que es exactamente lo que cabría esperar de los modelos clásicos simples.
Los nanotubos de carbono están hechos de capas concéntricas de grafeno, que consta de átomos de carbono dispuestos en una red de panal 1D. Las láminas de grafeno son conductoras de electricidad (tienen electrones móviles), mientras que el nitruro de boro es aislante, a pesar de tener también una estructura reticular hexagonal.
Esta diferencia hizo que Bocquet y sus colegas sospecharan que el comportamiento inesperado podría estar relacionado de alguna manera con los estados de los electrones en las paredes del tubo. Para aumentar el misterio, otros experimentos demostraron que el agua fluye más rápido por canales a nanoescala hechos de grafeno que por los hechos de grafito, que no son más que capas apiladas de grafeno. Las capas concéntricas de grafeno en un nanotubo de carbono les dan una estructura similar al grafito, por lo que esto podría ser clave para comprender cómo se transporta el agua a través de los nanotubos.
Resolver este tentador enigma teórico podría tener implicaciones importantes para los usos prácticos de las membranas de nanotubos. "Estos flujos están en el centro de todo tipo de procesos en la ciencia de las membranas", dice Nikita Kavokine, físico de la Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Maguncia, Alemania. "Queremos poder fabricar materiales que funcionen mejor en términos de permeabilidad al agua y selectividad iónica".
En 2022, Bocquet propuso una solución con un químico. María-Laure Bocquet y Kavokine (que entonces estaba en la ENS): la noción de fricción cuántica (Naturaleza 602 84). Argumentaron que el agua que fluye sobre el grafito puede frenarse mediante una especie de arrastre creado por la interacción de las fluctuaciones de carga en el agua con excitaciones ondulatorias en los electrones móviles de las láminas de grafeno.
A primera vista, parece poco probable que electrones muy ligeros interactúen con átomos y moléculas mucho más pesados, dado que se mueven a velocidades tan diferentes. "La idea ingenua es que los electrones se mueven mucho más rápido que las moléculas de agua", dice Kavokine, "por lo que nunca se comunicarán entre sí dinámicamente".
La gran diferencia en las escalas de tiempo entre los movimientos de los electrones y los átomos es, después de todo, la base del Aproximación de Born-Oppenheimer, que nos permite calcular los estados electrónicos de átomos y moléculas sin tener que preocuparnos por el efecto de los movimientos atómicos. Como admite Bocquet, cuando él y sus compañeros de trabajo decidieron por primera vez explorar la posibilidad de tal interacción, “comenzamos con ideas muy vagas y no con optimismo”.
Pero cuando los investigadores hicieron los cálculos, descubrieron que había una manera de que los electrones del grafito y las moléculas del agua se sintieran entre sí. Esto se debe a que los movimientos térmicos de las moléculas de agua crean diferencias de densidad de corta duración de un lugar a otro. Y debido a que las moléculas de agua son polares (tienen una distribución asimétrica de carga eléctrica), estas fluctuaciones de densidad producen fluctuaciones de carga correspondientes llamadas modos de Debye dentro del líquido. La nube de electrones en el grafito también exhibe fluctuaciones de carga en forma de ondas, que se comportan como cuasipartículas conocidas como "plasmones" (figura 2).
Según el físico estadístico Giancarlo Franzese de las Universidad de Barcelona, la clave para comprender la fricción cuántica es reconocer que las propiedades del agua deben tratarse como un problema de muchos cuerpos: las fluctuaciones que causan los modos de Debye son colectivas, no simplemente la suma de las propiedades de una sola molécula.
2 Ganando impulso
Cuando el agua fluye sobre una superficie de grafeno o grafito, las excitaciones electrónicas llamadas plasmones en la red de carbono se acoplan a las fluctuaciones de densidad en el líquido, lo que significa que se pueden transferir impulso y energía entre los dos.
Bocquet y sus colegas descubrieron que tanto las ondas de plasmón en el modo de grafito como las de Debye en el agua pueden ocurrir con frecuencias de alrededor de varios billones por segundo, en el rango de los terahercios. Esto significa que puede haber una resonancia entre los dos, de modo que uno puede ser excitado por el otro, del mismo modo que cantar una nota en voz alta puede hacer vibrar una cuerda de piano no amortiguada si tiene el mismo tono.
De esta manera, el agua que fluye sobre una superficie de grafito puede transferir impulso a los plasmones dentro del grafito y, por lo tanto, disminuir su velocidad y experimentar resistencia. En otras palabras, la aproximación de Born-Oppenheimer se desmorona aquí: un efecto que Bocquet llama “una enorme sorpresa”.
Fundamentalmente, los plasmones del grafito que se acoplan con mayor fuerza al agua son causados por electrones que saltan entre las láminas de grafeno apiladas. Por lo tanto, no se encuentran en láminas individuales de grafeno (figura 3). Bocquet y sus colegas pensaron que eso explicaría por qué el agua fluye más lentamente sobre el grafito que sobre el grafeno, porque sólo en el primer caso hay una fuerte fricción cuántica.
3 salto de electrones
Un esquema de la estructura del grafito y los plasmones entre capas que están asociados con una fuerte fricción cuántica. Las subredes "A" y "B" caracterizan la estructura del grafito, donde los átomos "A" se encuentran directamente entre los átomos de las capas vecinas. Los modos de plasmón en el grafito que se acoplan con mayor fuerza a las fluctuaciones de carga en el agua son causados por electrones que saltan entre las láminas de grafeno. Aquí, los parámetros de enlace describen la energía necesaria para que los electrones hagan un túnel entre las hojas adyacentes o las segundas más cercanas.
Pero, ¿explicaría esto cómo el caudal de agua en un nanotubo de carbono depende del diámetro del tubo? En nanotubos grandes con diámetros superiores a 100 nm, donde las paredes tienen una curvatura relativamente baja, el acoplamiento de los estados electrónicos entre las capas de grafeno apiladas es muy similar al del grafito normal con láminas planas, por lo que la fricción cuántica experimentada por el agua el flujo está en su máxima fuerza.
Pero a medida que los tubos se estrechan y sus paredes se curvan más fuertemente, las interacciones electrónicas entre las capas de sus paredes se debilitan y las capas se comportan más como láminas de grafeno independientes. Así, por debajo de unos 100 nm de diámetro la fricción cuántica disminuye, y si los tubos son más estrechos que unos 20 nm no hay ninguna: los tubos son tan resbaladizos como predicen las teorías clásicas.
Curiosamente, en este caso parece haber menos “cuantidad” en el sistema, a medida que se hace más pequeño.
“El trabajo de Lydéric es súper apasionante”, dice Ángelos Michaelides, químico teórico de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, cuyas detalladas simulaciones por computadora de la interfaz agua-grafeno confirmaron que se produce fricción cuántica (nano lett. 23 580).
Una de las características extrañas de la fricción cuántica es que, a diferencia de su contraparte clásica, no depende del contacto directo entre dos sustancias en movimiento relativo. La fricción cuántica ralentizaría el agua incluso si hubiera una fina capa de vacío entre ella y el nanotubo de carbono. Sandra Troián del desplegable California Institute of Technology en Pasadena, que estudia la mecánica de fluidos de las interfaces, dice que esta “fricción a distancia” está relacionada con una idea mucho anterior propuesta en 1989 por el físico ruso Leonid Levitov (EPL 8 499).
Las fluctuaciones en la distribución de electrones alrededor de los átomos significan que los átomos, moléculas y materiales neutros pueden ejercer una fuerza electrostática débil entre sí llamada fuerza de Van der Waals. Levitov argumentó que esto podría crear un arrastre sobre los objetos que se mueven entre sí, incluso cuando están separados por un vacío. "Levitov puso en movimiento toda la bola conceptual al proponer que los efectos cuánticos que actúan a distancia pueden generar una fuerza de fricción sin contacto físico directo", dice Troian.
Sondeando la nanoescala
Todo suena bien en teoría, pero ¿se podría someter la idea a una prueba experimental? Para ello, Kavokine se ha asociado con Mischa Bonn, también en Maguncia, experto en el estudio de la dinámica del agua mediante espectroscopia. Al principio, admite Bonn, se mostró escéptico. "Pensé, muchachos, esta es una teoría realmente interesante, pero no hay forma de que la vean a temperatura ambiente". Pero aceptó intentarlo.
"La fricción es transferencia de impulso", explica Bonn. “¿Pero cómo podemos medir eso? Bueno, puedo medir la transferencia de energía; eso es lo que normalmente hacemos en espectroscopia”. Entonces Kavokine reescribió la teoría de la fricción cuántica para que cuantificara la transferencia de energía, en lugar de la transferencia de momento. Luego se propusieron ver si podían detectar dicha transferencia de energía entre la dinámica del electrón y del agua.
Los cálculos predijeron que la fricción cuántica es más débil en el grafeno que en el grafito, pero el equipo de Bonn ideó un experimento con grafeno porque ya habían estudiado su dinámica electrónica. Bonn explica que la monocapa de grafeno tiene un plasmón en el plano al que se pueden acoplar las fluctuaciones del agua, por lo que la fricción cuántica debería seguir presente, aunque será un efecto más débil que en el grafito.
Los investigadores utilizaron pulsos de láser óptico para excitar los electrones en una sola hoja de grafeno sumergida en agua, elevando abruptamente la "temperatura electrónica" hasta el punto de que estaba fuera de equilibrio con el agua (Naturaleza Nanotecnología. 18 898). "Existe un tiempo de enfriamiento intrínseco", afirma Bonn, que se considera la velocidad de enfriamiento en el vacío. "Pero si hay una transferencia de energía significativa [entre los plasmones de grafeno y los modos de agua de Debye] entonces esa velocidad de enfriamiento debería aumentar cuando hay agua presente".
Y eso es exactamente lo que vieron. A medida que los electrones se enfrían, aumenta su capacidad para absorber luz en el rango de frecuencia de los terahercios. Al monitorear la absorción de pulsos de terahercios disparados en diferentes momentos después del pulso láser excitante inicial, Bonn y sus colegas pudieron deducir la velocidad de enfriamiento. En este caso, parecía haber transferencia de energía entre el agua y los electrones (una firma de fricción cuántica) incluso para una sola monocapa de grafeno (figura 4).
4 Buscando la fricción cuántica
Se utilizó una técnica llamada “espectroscopia de terahercios” para buscar fricción cuántica. Esta técnica mide la velocidad de enfriamiento de un material (en este caso una lámina de grafeno) después de calentarlo mediante un pulso láser. A medida que disminuye la excitación térmica, cambia la capacidad del material para absorber radiación. Al monitorear la absorción de una serie de pulsos de terahercios, se calcula la velocidad de enfriamiento. La espectroscopia de terahercios se puede realizar al vacío o en un baño líquido. Si la presencia de un líquido hace que el grafeno se enfríe más rápidamente que en el vacío, esto indica que hay fricción cuántica.
Por el contrario, cuando el grafeno se sumergía en metanol o etanol, la velocidad de enfriamiento de los electrones era más lenta que en el vacío. Se trata de líquidos polares pero no tienen modos de Debye en las frecuencias adecuadas y simplemente inhiben la relajación térmica de los electrones.
"Mis instintos iniciales estaban equivocados", admite alegremente Bonn, "por lo que fue una sorpresa muy agradable cuando funcionó". Pero aunque dice que los resultados son cuantitativamente consistentes con las predicciones teóricas, se necesitan más experimentos para confirmarlo. Es más, hasta ahora sólo han observado láminas planas de grafeno en contacto con agua a granel. “Realmente queremos pasar al agua nanoconfinada”, afirma, una extensión que ya han iniciado.
Más allá de una quimera
¿Se puede aprovechar la fricción cuántica? Kavokine espera que así sea y ha acuñado el término “plomería cuántica” para describir los esfuerzos para lograrlo. "Podemos ver cómo el trabajo mecánico [como el flujo de fluido] puede comunicarse directamente con el movimiento electrónico", dice Bocquet. "Por ejemplo, si mueves un líquido, puedes inducir una corriente electrónica".
Los investigadores ahora están pensando en cómo explotar la conversión directa de energía entre el trabajo mecánico y el movimiento de los electrones, por ejemplo, recolectando la energía de los flujos residuales para generar corrientes electrónicas o usando el control electrónico para alterar los caudales y así crear válvulas o válvulas a nanoescala. zapatillas. "Eso no es imposible", afirma Bonn.
Kavokine señala que los sistemas biológicos son, gracias a la fina sintonización estructural de las proteínas, muy buenos para controlar flujos a escalas muy pequeñas. Si bien cree que es "improbable" que alguien pueda lograr ese grado de sintonizabilidad estructural, "[nuestro trabajo] muestra que podemos jugar con la sintonizabilidad electrónica para lograr funciones similares con físicas muy diferentes", lo que él denomina una "ruta antibiomimética". ”Para fluir la nanoingeniería.
Comprender la fricción cuántica podría resultar útil para fabricar materiales de baja fricción, afirma Franzese. "Los lubricantes se utilizan a menudo como solución, pero muchos de ellos no son sostenibles", afirma, por lo que diseñar un material con una fricción intrínsecamente baja sería una mejor opción. Es más, el enfoque de considerar la naturaleza de la interfaz agua-sólido como un problema de muchos cuerpos “podría tener implicaciones en otros campos como el filtrado y la separación de mezclas de fluidos”.
Frío: cómo los físicos aprendieron a manipular y mover partículas con enfriamiento por láser
Mientras tanto, Michaelides y Bocquet están explorando la idea de utilizar las excitaciones electrónicas de una lámina de grafito como intermediario para permitir que dos flujos a cada lado se comuniquen, de modo que uno pueda inducir al otro: lo que llaman túneles de flujo. Sus simulaciones muestran que, en principio, debería ser posible.
"Imagino muchas aplicaciones importantes de este trabajo [sobre la fricción cuántica]", dice Troian, "que van desde sistemas biológicos hasta aquellos que involucran separación basada en membranas, desalinización, baterías líquidas, nanomáquinas y más".
Independientemente de lo que finalmente produzcan los fontaneros cuánticos, como concluye claramente Bocquet, “es un patio de recreo muy agradable”.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/meet-the-quantum-plumbers-uncovering-the-mysteries-of-fluid-mechanics-at-the-nanoscale/
