(Phys.org) — C'erano grandi speranze di utilizzare i nanotubi di carbonio, in particolare per il trasporto di acqua ultraveloce per desalinizzare l'acqua di mare. Però, una simulazione ora rivela che queste velocità di trasporto ultraveloci potrebbero non essere state adeguatamente messe a terra, dopotutto. Da allora, i ricercatori che lavorano con esperimenti e modelli al computer sono stati in disaccordo sulle capacità e sulla fisica governativa del materiale.

I nanotubi di carbonio (CNT) hanno suscitato molto interesse nel mondo della scienza sin dalla loro scoperta nel 1991. Dopotutto, il materiale ha proprietà insolite che lo rendono ideale per varie applicazioni. Ad esempio, I CNT sono utilizzati nell'ingegneria elettrica come punte per potenti microscopi a scansione a effetto tunnel, come fibre di rinforzo in materiali sintetici o per specifici componenti aeronautici. I CNT hanno innescato l'immaginazione selvaggia di alcuni che le corde fatte di questi nanotubi potrebbero un giorno trasportare ascensori dalla Terra nello spazio.

L'uso delle membrane CNT come mezzo filtrante è forse più realistico. Esperimenti e simulazioni indicano che le molecole d'acqua fluiscono attraverso tali membrane in modo estremamente rapido, il che li rende interessanti come filtri per impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare economici:le molecole d'acqua passano attraverso i pori ultra-stretti, gli ioni di sale no. Questo potenziale per le membrane CNT è quindi oggetto di intensa ricerca.

Limite identificato teoricamente ampiamente superato

Il trasporto dell'acqua attraverso i tubi si basa su una formula consolidata dalla fluidodinamica. La formula descrive la portata, che viene calcolato utilizzando la lunghezza e il diametro del tubo e la differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita del fluido alle rispettive estremità del tubo. Gli esperimenti hanno prodotto tassi di trasporto dell'acqua per i CNT che si suppone siano 100, 000 volte superiore al limite teoricamente calcolato su macroscala che si applicherebbe al trasporto dell'acqua attraverso tali nanotubi. La bilancia è fondamentale per i processi di trasporto ultraveloci. Su nanoscala, è stato affermato che le molecole d'acqua volano letteralmente attraverso i nanotubi di carbonio senza toccare le pareti idrofobiche, da qui il loro ridotto attrito e maggiori velocità di trasporto. E più stretti sono i CNT, maggiore è la velocità di trasporto dell'acqua.

Però, la storia dei CNT è piena di controversie. Mentre alcuni ricercatori sperimentali hanno effettivamente osservato una portata che era di 100, 000 volte maggiore e pubblicato questo in Natura , altri hanno misurato flussi d'acqua che sono stati migliorati solo da 100 a 1000 volte. Né le simulazioni hanno aiutato a rispondere alla domanda se le membrane CNT abbiano davvero così tanto potenziale. I precedenti modelli informatici considerano troppo poche molecole d'acqua e CNT troppo corti rispetto ai CNT utilizzati sperimentalmente. Simulazioni che hanno riportato un 100, Il miglioramento di 000 volte è arrivato a questo valore solo attraverso un'estrapolazione.

La nuova simulazione mette in dubbio il trasporto ultraveloce

Un team di ricercatori guidato dal professor Petros Koumoutsakos ha ora alimentato questo dibattito scientifico con la simulazione più ampia e dettagliata del flusso d'acqua attraverso i nanotubi di carbonio fino ad oggi. Il modello al computer simula CNT della stessa lunghezza di quelli utilizzati negli esperimenti. È appena stato pubblicato un articolo sulla rivista Nano lettere .

interessante, le simulazioni sono state in grado di confermare solo un aumento di 200 volte del flusso d'acqua e non confermano il 100, miglioramento di 000 volte che era stato affermato da alcuni sperimentatori. Per Petros Koumoutsakos, questi tassi ultraveloci riportati sono un mistero. "Le nostre simulazioni suggeriscono che portate così elevate non sono possibili per acqua pura e CNT, " dice il professore dell'ETH-Zurigo. Koumoutsakos è stato in grado di confermare che una maggiore lunghezza del CNT migliora il flusso d'acqua anche se solo fino a una certa lunghezza. Dopo 500 nm le velocità di trasporto rimangono sostanzialmente invariate. È anche riuscito a simulare e spiegare teoricamente gli ostacoli all'ingresso dell'acqua e uscita di un tubo che riducono la portata.Tuttavia, questo riguarda solo i CNT corti, avendo a malapena un impatto su quelli lunghi.

Milioni di molecole virtuali passano attraverso i CNT

Il modello computazionale si basa su nanotubi di carbonio puro di un micrometro di lunghezza e circa due nanometri di diametro, attraverso il quale gli scienziati informatici hanno incanalato milioni di molecole d'acqua virtuali. Le simulazioni presso la Cattedra di Scienze Computazionali sono di grandezza senza precedenti e sono state realizzabili grazie al computer su larga scala del Centro Svizzero di Calcolo Scientifico di Lugano.

Lo scienziato computazionale non riesce a capire perché la portata della sua simulazione differisca così tanto dai valori misurati in certi esperimenti. "I nostri risultati coincidono anche con i risultati di test sperimentali più recenti, " sottolinea Koumoutsakos. Sospetta che modifiche chimiche dei CNT o altri fenomeni non osservati potrebbero aumentare il flusso. Tuttavia, la simulazione non tiene conto di tali impurità, lui dice. Di conseguenza, Koumoutsakos prevede lo sviluppo di modelli informatici che tengano conto e quantificano anche tali incertezze.

Il professore dell'ETH-Zurigo spera che il suo modello al computer incoraggi altri ricercatori a rivisitare i loro esperimenti ea collaborare per quantificare le incertezze negli esperimenti e nelle simulazioni. A suo avviso, i dati ottenuti negli esperimenti dovranno essere supportati da simulazioni prima di essere pubblicati in futuro.

Gli esperimenti producono un'ampia gamma di dati

Parco Hyung Gyu, un assistente professore di tecnologia energetica all'ETH di Zurigo, è uno dei ricercatori che ha determinato sperimentalmente le portate. Ha condotto esperimenti con i CNT che Koumoutsakos ora mette in parte in discussione e ha pubblicato i risultati sulla rivista Scienza nel 2006. Park ha osservato tassi di trasporto che andavano da 500 a 8, 500 volte superiore alle previsioni teoriche. Nella migliore delle ipotesi, i valori ottenuti attraverso gli esperimenti e la simulazione si discostano di 2,5 volte. "Perciò, si abbinano piuttosto bene, " lui dice.

Park riconosce che Koumoutsakos e il suo team hanno realizzato un'eccellente simulazione della dinamica molecolare. Gli scienziati informatici hanno studiato a fondo la fisica dei fluidi necessaria e quindi sono stati in grado di descrivere bene il flusso dell'acqua negli ambienti di grafite su scala nanometrica. Però, il ricercatore coreano sottolinea che questo tipo di simulazione ha dei limiti metodologici:"Questa simulazione potrebbe portarci un passo più vicino alle reali condizioni sperimentali, ma non riflettono ancora completamente la realtà".

Park dice che l'approccio dell'informatico è corretto in linea di principio. Però, i prerequisiti su cui si basano le simulazioni differiscono dai suoi esperimenti. Ad esempio, ha usato nanotubi di carbonio con un diametro compreso tra uno e due nanometri. Nella simulazione, però, il diametro era di 2,03 nanometri. Sebbene la differenza possa sembrare piccola e insignificante, su questa scala il trasporto dell'acqua cambia notevolmente, come Park ha osservato sperimentalmente. La simulazione ha inoltre preso in considerazione un solo diametro del tubo; i suoi esperimenti, però, preso diversi.

Discussione fruttuosa tra i reparti

Nonostante le sue critiche, Park vede la simulazione sviluppata dal suo collega di dipartimento come un contributo chiave, di cui solo la ricerca sperimentale trarrà vantaggio. Lo considera un progresso nella modellazione dei fenomeni di flusso su scala nanometrica e in condizioni che prevalgono negli ambienti di grafite. "Controllerò attentamente questo modello e i miei risultati con membrane di nanotubi in futuro, " sottolinea. Dopotutto, lui concede, è molto difficile misurare sperimentalmente tali processi di trasporto su scala nanometrica. Inoltre, è una sfida sintetizzare un trilione (10 ¹² ) CNT a diametro costante per la costruzione di un dispositivo a membrana di dimensioni centimetriche, un'impresa recentemente realizzata dal gruppo di ricerca di Park. Attualmente stanno lavorando alla produzione di membrane CNT su scala più ampia.

Nonostante il loro dibattito scientifico, entrambi gli scienziati considerano un raro privilegio che i ricercatori lavorino su esperimenti e simulazioni su questo argomento nella stessa istituzione. "Sono convinto che la nostra sana competizione e collaborazione tra scienziati di entrambi i campi sosterrà questo entusiasmante campo di ricerca, "dice Parco.