Per 15 anni, gli scienziati sono rimasti sconcertati dal modo misterioso in cui l'acqua scorre attraverso i minuscoli passaggi dei nanotubi di carbonio, tubi con pareti che possono essere spesse solo un atomo. Le correnti hanno confuso tutte le teorie della fluidodinamica; paradossalmente, il fluido passa più facilmente attraverso nanotubi più stretti e in tutti i nanotubi si muove quasi senza attrito. Anche l'attrito che c'è ha sfidato ogni spiegazione.

In un mix senza precedenti di fluidodinamica e meccanica quantistica, i ricercatori riferiscono in un nuovo studio teorico pubblicato il 2 febbraio su Nature che finalmente hanno una risposta:"attrito quantistico".

La spiegazione proposta è la prima indicazione di effetti quantistici al confine tra un solido e un liquido, afferma l'autrice principale dello studio Nikita Kavokine, ricercatrice presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute a New York City.

"Il sistema acqua-carbonio ha sconcertato gli scienziati per oltre un decennio e stiamo proponendo la prima spiegazione ragionevole di ciò che accade", afferma Kavokine. "Questo lavoro mostra una connessione tra l'idrodinamica e le proprietà quantistiche della materia che fino ad ora non era ovvia."

Nella loro spiegazione, Kavokine e i suoi colleghi propongono che le molecole d'acqua che passano interagiscono con gli elettroni nelle pareti dei nanotubi, in modo che le molecole e gli elettroni si spingano e si attirino l'uno sull'altro e rallentino il flusso.

Questo effetto è più forte per le varianti di nanotubi costruite da più strati di fogli di carbonio spessi un atomo. Questo perché gli elettroni possono saltare da uno strato all'altro. Per i nanotubi più stretti, i vincoli geometrici causano il disallineamento tra gli strati. I ricercatori propongono che questa discrepanza su scala atomica ostacoli i salti di elettroni, riducendo l'attrito e provocando flussi più veloci attraverso tubi più stretti.

I risultati teorici potrebbero avere implicazioni significative per le applicazioni proposte di nanotubi di carbonio, come filtrare il sale dall'acqua di mare o generare energia utilizzando la differenza di salinità tra acqua salata e acqua dolce. Meno attrito significa meno energia necessaria per forzare l'acqua attraverso i tubi.

"Il nostro lavoro delinea modi radicalmente nuovi di controllare il flusso dei fluidi su scala nanometrica utilizzando materiali avanzati", afferma Lydéric Bocquet, direttore della ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) a Parigi. Insieme a Kavokine, è stato coautore del nuovo studio con Marie-Laure Bocquet, che è anche direttrice della ricerca al CNRS.

I ricercatori hanno considerato nanotubi con diametri compresi tra 20 e 100 nanometri. Per confronto, una molecola d'acqua ha un diametro di 0,3 nanometri. I tubi possono essere così piccoli grazie al loro robusto materiale di costruzione, il grafene:fogli di atomi di carbonio spessi un atomo in uno schema a nido d'ape. Quando si impilano più strati di grafene, si ottiene grafite (come quella che si trova nella mina).

Dal 2005, gli scienziati hanno misurato la velocità e la facilità con cui l'acqua si muove attraverso i nanotubi di carbonio. Poiché sono così piccoli, i nanotubi sarebbero cannucce piuttosto terribili:il liquido scorre a soli miliardesimi di litro al secondo.

Ma il liquido almeno si muove con pochissima resistenza perché le pareti di grafene dei tubi sono completamente lisce. Questa mancanza di rugosità superficiale riduce la resistenza al passaggio delle molecole d'acqua. Il grafene inoltre non cattura le molecole sulla sua superficie come fanno molti altri materiali. Allo stesso modo, quelle molecole catturate possono rallentare il flusso.

Le misurazioni dei primi studi hanno suggerito che l'acqua scorre quasi senza attrito attraverso i nanotubi. Nel 2016, invece, uno studio sperimentale in Natura co-autore di Lydéric Bocquet ha scoperto che la quantità di attrito dipende dal raggio dei nanotubi. In modo confuso, l'effetto di attrito è aumentato per nanotubi più grandi. Non aveva senso, dal momento che i tubi più grandi dovrebbero essere lisci come quelli più piccoli. Queste stranezze hanno portato al dibattito all'interno del campo e sono diventate lacune di conoscenza chiave nello studio dei flussi su scala nanometrica.

Poiché le teorie esistenti sulla dinamica dei fluidi hanno fallito, Kavokine e i suoi colleghi hanno approfondito le proprietà delle pareti di grafene. Un tale approccio è insolito per lo studio dei fluidi, dice Kavokine. "In idrodinamica, il muro è solo un muro e non ti interessa di cosa sia fatto il muro. Ci siamo resi conto che su scala nanometrica, diventa davvero molto importante". In particolare, Kavokine si rese conto che gli effetti quantistici all'interfaccia grafene-acqua potevano produrre attrito consentendo all'acqua che scorre di dissipare energia negli elettroni che scorrono nel grafene.

Sorprendentemente, la pandemia di COVID-19 ha aiutato la ricerca. "C'era una curva di apprendimento teorico ripida per affrontare questo problema", afferma Kavokine. "Ho dovuto leggere molti libri fondamentali e imparare cose nuove, ed essere in isolamento per diversi mesi mi ha davvero aiutato."

Un fattore cruciale era che alcuni degli elettroni nel grafene possono muoversi liberamente attraverso il materiale. Inoltre, questi elettroni possono interagire elettromagneticamente con le molecole d'acqua. Questo perché ogni molecola d'acqua ha un'estremità leggermente caricata positivamente e un'estremità leggermente caricata negativamente a causa dell'atomo di ossigeno che attira più fortemente la nuvola di elettroni rispetto agli atomi di idrogeno.

Nella spiegazione dei ricercatori, gli elettroni nella parete del grafene si muovono insieme al passaggio delle molecole d'acqua. Ma gli elettroni tendono a rimanere leggermente indietro, rallentando le molecole. Questo effetto è noto come attrito elettronico o quantistico ed è stato considerato solo in precedenza come un fattore di interazione tra due solidi o una singola particella e un solido.

La situazione è più complessa, invece, quando si tratta di un liquido, dove molte molecole interagiscono tutte insieme. Gli elettroni e le molecole d'acqua oscillano a causa della loro energia termica. Se capita di oscillare alla stessa frequenza, si verifica un effetto chiamato risonanza che aumenta la forza di attrito quantistica. Questo effetto di risonanza è maggiore per i nanotubi con strati ben allineati, poiché il movimento degli elettroni tra gli strati è sincronizzato con quello delle molecole d'acqua.

Questa nuova interazione tra liquidi e solidi è passata inosservata fino ad ora per due ragioni principali, afferma Kavokine. In primo luogo, l'attrito risultante è così leggero che sarebbe trascurabile per materiali con superfici più ruvide. In secondo luogo, l'effetto si basa sul fatto che gli elettroni impiegano del tempo per adattarsi alle molecole d'acqua in movimento. Le simulazioni molecolari non possono rilevare l'attrito perché utilizzano l'approssimazione di Born-Oppenheimer, che presuppone che gli elettroni si adattino istantaneamente al movimento degli atomi vicini.

Il nuovo studio è teorico, quindi i ricercatori affermano che sono necessari esperimenti per confermare la loro proposta ed esplorare alcune delle sue conseguenze controintuitive. Sottolineano inoltre che sono necessarie simulazioni migliorate che non si basano sull'approssimazione di Born-Oppenheimer. "Spero che questo cambi il nostro modo di affrontare questi sistemi e apporti nuovi strumenti teorici ad altri problemi", afferma Kavokine. + Esplora ulteriormente

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