L’eau s’écoule mystérieusement bien à travers des nanotubes de carbone étroits, mais il y a maintenant une explication : tout cela peut être dû à la friction quantique
Physique 2 février 2022
Les nanotubes de carbone étroits se comportent de manière inhabituelle
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L’eau s’écoule plus facilement à travers les nanotubes de carbone plus étroits que les plus gros et nous avons eu du mal à expliquer pourquoi. Maintenant, une équipe a une réponse : tout cela peut être dû à la friction quantique.
La friction dans son sens standard et classique est bien comprise par la plupart des gens. Plus le degré de contact entre deux objets se déplaçant l’un à côté de l’autre est grand, plus l’énergie nécessaire pour surmonter le frottement est grande. Un tuyau étroit a une paroi plus grande par rapport à sa section transversale qu’un tuyau plus large, vous vous attendez donc à ce que les forces de frottement subies par l’eau à l’intérieur du tuyau plus petit soient proportionnellement plus grandes. Cela signifie que l’eau devrait couler moins facilement.
Mais les nanotubes de carbone n’obéissent pas à cette règle. Ceux-ci sont constitués de fines couches de graphite enroulées dans des tubes de quelques nanomètres de large seulement – et plus le diamètre est étroit, plus il est facile pour l’eau de les traverser.
De plus, l’eau s’écoule plus facilement à travers les nanotubes aux parois plus minces – ceux constitués de moins de couches de graphite empilées les unes sur les autres – quel que soit le diamètre des nanotubes. Les deux phénomènes ont défié l’entendement jusqu’à présent.
En combinant la mécanique quantique et la dynamique des fluides, Nikita Kavokine du Flatiron Institute de New York et ses collègues proposent la friction quantique comme réponse.
« L’eau est composée d’un tas de molécules d’eau qui, à température ambiante, se déplacent toutes dans des directions différentes et se heurtent les unes aux autres », explique Kavokine. En raison de la répartition inégale des molécules d’eau à un moment donné, l’eau est chargée électriquement à un niveau microscopique. Les électrons se déplaçant librement dans les nanotubes de carbone poussent et tirent ensuite sur ces fluctuations microscopiques dans l’eau pour créer une friction quantique, expliquent les chercheurs.
Les parois des nanotubes de carbone comprennent typiquement des centaines de couches de graphite qui ont un alignement précis. Selon Kavokine et ses collègues, cependant, la courbure des couches déforme l’alignement, entravant la capacité des électrons dans les nanotubes à se déplacer librement. Ainsi, plus le nanotube est étroit – ce qui correspond à des couches de graphite plus fortement courbées – moins il y a d’électrons à interagir avec l’eau et plus le frottement quantique est faible.
De même, pour les nanotubes aux parois plus épaisses, il y a un plus grand nombre d’électrons qui peuvent sauter entre les couches pour pousser et tirer sur l’eau, selon l’équipe. C’est pourquoi ces nanotubes provoquent plus de friction quantique que ceux à paroi plus fine.
« Notre théorie du frottement quantique fournit la première explication raisonnable de ce qui se passe », déclare Kavokine.
Maintenant qu’un mécanisme possible pour les interactions eau-carbone est plus clairement compris, il existe un grand potentiel pour exploiter les propriétés des flux à l’échelle nanométrique, dit-il. Par exemple, il existe des propositions pour développer de nouvelles conceptions informatiques basées sur le transport de l’eau et des ions à l’échelle nanométrique.
Référence de la revue : La natureDOI : 10.1038/s41586-021-04284-7
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