(Phys.org) —Había grandes esperanzas de utilizar nanotubos de carbono, particularmente para el transporte ultrarrápido de agua para desalar el agua de mar. Sin embargo, una simulación ahora revela que, después de todo, estas velocidades de transporte ultrarrápidas podrían no haber sido puestas a tierra adecuadamente. Los investigadores que trabajan con experimentos y modelos de computadora han estado en desacuerdo sobre las capacidades y la física gobernante del material desde entonces.

Los nanotubos de carbono (CNT) han despertado mucho interés en el mundo de la ciencia desde su descubrimiento en 1991. Después de todo, el material tiene propiedades inusuales que lo hacen ideal para diversas aplicaciones. Por ejemplo, Los CNT se utilizan en ingeniería eléctrica como consejos para poderosos microscopios de túnel de barrido, como fibras de refuerzo en materiales sintéticos o para componentes específicos de aeronaves. Los CNT han provocado la imaginación salvaje de algunos de que las cuerdas hechas de estos nanotubos podrían algún día transportar ascensores desde la Tierra al espacio.

El uso de membranas CNT como medio de filtrado es quizás más realista. Los experimentos y simulaciones indican que las moléculas de agua fluyen a través de tales membranas extremadamente rápido, lo que los hace interesantes como filtros para plantas desaladoras de agua de mar rentables:las moléculas de agua pasan a través de los poros ultra estrechos, los iones de sal no lo hacen. Por tanto, este potencial de las membranas de CNT se está investigando intensamente.

Límite identificado teóricamente excedido en gran medida

El transporte de agua a través de tuberías se basa en una fórmula bien establecida de la dinámica de fluidos. La fórmula describe la tasa de flujo, que se calcula utilizando la longitud y el diámetro del tubo y la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido en los respectivos extremos del tubo. Los experimentos han arrojado tasas de transporte por agua para CNT que supuestamente son 100, 000 veces mayor que el límite teóricamente calculado a macroescala que se aplicaría al transporte de agua a través de tales nanotubos. La escala es fundamental para los procesos de transporte ultrarrápidos. A nanoescala, Se ha argumentado que las moléculas de agua vuelan literalmente a través de los nanotubos de carbono sin tocar las paredes hidrofóbicas. de ahí su menor fricción y mejores velocidades de transporte. Y cuanto más estrechas son las CNT, cuanto más altas sean las tarifas de transporte por agua.

Sin embargo, la historia de las CNT está plagada de controversias. Si bien algunos investigadores experimentales han observado una tasa de flujo de 100, 000 veces mayor y publicado esto en Naturaleza , otros han medido caudales de agua que se incrementaron solo entre 100 y 1000 veces. Las simulaciones tampoco ayudaron a responder la pregunta de si las membranas de CNT realmente albergan tanto potencial. Los modelos informáticos anteriores consideran muy pocas moléculas de agua y NTC que son demasiado cortos en comparación con los NTC utilizados experimentalmente. Simulaciones que informaron un 100, La mejora de 000 veces solo llegó a este valor a través de una extrapolación.

La nueva simulación arroja dudas sobre el transporte ultrarrápido

Un equipo de investigadores encabezado por el profesor Petros Koumoutsakos ha impulsado este debate científico con la simulación más grande y detallada del flujo de agua a través de nanotubos de carbono hasta la fecha. El modelo informático simula CNT de la misma longitud que los utilizados en los experimentos. Se acaba de publicar un artículo en la revista. Nano letras .

Curiosamente, las simulaciones han podido confirmar solo una mejora de 200 veces del flujo de agua y no confirman el 100, Mejora de 000 veces que había sido reclamada por algunos experimentadores. Para Petros Koumoutsakos, estas tasas ultrarrápidas reportadas son un misterio. "Nuestras simulaciones sugieren que velocidades de flujo tan altas no son posibles para agua pura y CNT, ", dice el profesor de ETH-Zurich. Koumoutsakos pudo confirmar que una mayor longitud de CNT mejora el flujo de agua, aunque solo hasta una cierta longitud. Después de 500 nm, las velocidades de transporte permanecen prácticamente sin cambios. También logró simular y explicar los obstáculos teóricos a la entrada de agua y salida de un tubo que reducen el caudal. Sin embargo, esto solo afecta a los CNT cortos, apenas teniendo impacto en los largos.

Millones de moléculas virtuales pasan a través de CNT

El modelo computacional se basa en nanotubos de carbono puro de un micrómetro de longitud y unos dos nanómetros de diámetro. a través del cual los científicos de la computación canalizaron millones de moléculas de agua virtuales. Las simulaciones en la Cátedra de Ciencias Computacionales no tienen precedentes en magnitud y fueron factibles gracias a la computadora a gran escala en el Centro Suizo de Computación Científica en Lugano.

El científico computacional no puede entender por qué el caudal de su simulación difiere tanto de los valores medidos en ciertos experimentos. "Nuestros resultados incluso coinciden con los resultados de pruebas experimentales más recientes, "enfatiza Koumoutsakos. Sospecha que las modificaciones químicas de los CNT u otros fenómenos no observados podrían mejorar el flujo. Sin embargo, la simulación no tiene en cuenta tales impurezas, él dice. Como consecuencia, Koumoutsakos prevé el desarrollo de modelos informáticos que también tengan en cuenta y cuantifiquen tales incertidumbres.

El profesor de ETH-Zurich espera que su modelo informático anime a otros investigadores a revisar sus experimentos y colaborar para cuantificar las incertidumbres en experimentos y simulaciones. En su opinión, los datos obtenidos en experimentos deberán respaldarse con simulaciones antes de que se publiquen en el futuro.

Los experimentos producen una amplia gama de datos

Parque Hyung Gyu, profesor asistente de tecnología energética en ETH Zurich, es uno de los investigadores que determinó los caudales de forma experimental. Realizó experimentos con CNT que Koumoutsakos ahora cuestiona en parte y publicó los resultados en la revista. Ciencias en 2006. Park observó tasas de transporte de 500 a 8, 500 veces superior a las previsiones teóricas. En el mejor de los casos, los valores que obtuvo a través de experimentos y la simulación se desvían 2,5 veces. "Por lo tanto, encajan bastante bien, " él dice.

Park reconoce que Koumoutsakos y su equipo han logrado una excelente simulación de dinámica molecular. Los científicos informáticos investigaron a fondo la física de fluidos necesaria y, por lo tanto, pudieron describir bien el flujo de agua en entornos de grafito en una escala nanométrica. Sin embargo, el investigador coreano señala que este tipo de simulación tiene limitaciones metodológicas:"Esta simulación bien podría acercarnos un paso más a las condiciones experimentales reales, pero todavía no reflejan completamente la realidad ".

Park dice que el enfoque del científico de la computación es correcto en principio. Sin embargo, los requisitos previos en los que se basan las simulaciones difieren de sus experimentos. Por ejemplo, usó nanotubos de carbono que tenían entre uno y dos nanómetros de diámetro. En la simulación, sin embargo, el diámetro fue de 2,03 nanómetros. Si bien la diferencia puede parecer pequeña e insignificante, en esta escala, el transporte de agua cambia enormemente, como Park observó experimentalmente. La simulación también solo tomó en consideración un diámetro de tubo; sus experimentos, sin embargo, tomó varios.

Discusión fructífera entre departamentos

A pesar de sus críticas, Park ve la simulación desarrollada por su colega de departamento como una contribución clave, de la cual la investigación experimental solo se beneficiará. Lo considera un avance en el modelado de fenómenos de flujo a escala nanométrica y en condiciones que prevalecen en entornos de grafito. "Verificaré este modelo y mis resultados cuidadosamente con membranas de nanotubos en el futuro, ", enfatiza. Después de todo, él concede, Es muy difícil medir experimentalmente estos procesos de transporte a escala nanométrica. Es más, es un desafío sintetizar un billón (10 ¹² ) CNT de diámetro constante para la construcción de un dispositivo de membrana de un centímetro, una hazaña que el grupo de investigación de Park logró recientemente. Actualmente están trabajando en la producción de membranas de CNT a mayor escala.

A pesar de su debate científico, Ambos científicos ven como un raro privilegio que los investigadores trabajen en experimentos y simulaciones sobre este tema en la misma institución. "Estoy convencido de que nuestra sana competencia y la colaboración entre científicos de ambos campos harán que este apasionante campo de investigación sirva de algo, "dice Park.