Durante 15 años, los científicos han estado desconcertados por la forma misteriosa en que el agua fluye a través de los diminutos pasajes de los nanotubos de carbono, tuberías con paredes que pueden tener solo un átomo de espesor. Las corrientes han confundido todas las teorías de la dinámica de fluidos; paradójicamente, el fluido pasa más fácilmente a través de nanotubos más estrechos, y en todos los nanotubos se mueve casi sin fricción. La fricción que existe también ha desafiado toda explicación.

En una mezcla sin precedentes de dinámica de fluidos y mecánica cuántica, los investigadores informan en un nuevo estudio teórico publicado el 2 de febrero en Nature que finalmente tienen una respuesta:'fricción cuántica'.

La explicación propuesta es la primera indicación de los efectos cuánticos en el límite de un sólido y un líquido, dice la autora principal del estudio, Nikita Kavokine, investigadora del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York.

"El sistema agua-carbono ha desconcertado a los científicos durante más de una década, y estamos proponiendo la primera explicación razonable de lo que sucede", dice Kavokine. "Este trabajo muestra una conexión entre la hidrodinámica y las propiedades cuánticas de la materia que no era evidente hasta ahora".

En su explicación, Kavokine y sus colegas proponen que las moléculas de agua que pasan interactúan con los electrones en las paredes de los nanotubos, de modo que las moléculas y los electrones se empujan y tiran unos de otros y ralentizan el flujo.

Este efecto es más fuerte para las variantes de nanotubos construidas a partir de múltiples capas de láminas de carbono de un solo átomo de espesor. Eso es porque los electrones pueden saltar de una capa a otra. Para nanotubos más angostos, las restricciones geométricas provocan una desalineación entre las capas. Los investigadores proponen que este desajuste a escala atómica dificulta los saltos de electrones, reduce la fricción y provoca flujos más rápidos a través de tubos más estrechos.

Los hallazgos teóricos podrían tener implicaciones significativas para las aplicaciones propuestas de nanotubos de carbono, como filtrar la sal del agua de mar o generar energía utilizando la diferencia de salinidad entre el agua salada y el agua dulce. Menos fricción significa que se necesita menos energía para forzar el agua a través de los tubos.

"Nuestro trabajo describe formas radicalmente nuevas de controlar el flujo de fluidos a escala nanométrica utilizando materiales avanzados", dice Lydéric Bocquet, director de investigación en el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) en París. Junto con Kavokine, es coautor del nuevo estudio con Marie-Laure Bocquet, quien también es directora de investigación en el CNRS.

Los investigadores consideraron nanotubos con diámetros que oscilaban entre 20 y 100 nanómetros. A modo de comparación, una molécula de agua tiene 0,3 nanómetros de ancho. Los tubos pueden ser tan pequeños gracias a su resistente material de construcción, el grafeno:láminas de átomos de carbono de un solo átomo de espesor en forma de panal. Cuando apilas varias capas de grafeno, obtienes grafito (como el que se encuentra en la mina de un lápiz).

Desde 2005, los científicos han medido la rapidez y facilidad con la que el agua se mueve a través de los nanotubos de carbono. Debido a que son tan pequeños, los nanotubos serían pajitas para beber terribles:el líquido fluye a solo milmillonésimas de litro por segundo.

Pero el líquido al menos se mueve con muy poca resistencia porque las paredes de grafeno de los tubos son completamente lisas. Esta falta de rugosidad en la superficie reduce la resistencia al paso de las moléculas de agua. El grafeno tampoco atrapa moléculas en su superficie como lo hacen muchos otros materiales. Esas moléculas atrapadas también pueden ralentizar el flujo.

Las mediciones en los primeros estudios sugirieron que el agua fluye casi sin fricción a través de los nanotubos. En 2016, sin embargo, un estudio experimental en Nature en coautoría con Lydéric Bocquet descubrió que la cantidad de fricción depende del radio del nanotubo. De manera confusa, el efecto de fricción aumentó para los nanotubos más grandes. Eso no tenía sentido, ya que los tubos más grandes deberían ser tan suaves como los más pequeños. Esas rarezas generaron debate dentro del campo y se convirtieron en brechas de conocimiento clave en el estudio de los flujos a nanoescala.

Debido a que las teorías existentes de dinámica de fluidos fallaron, Kavokine y sus colegas profundizaron en las propiedades de las paredes de grafeno. Tal enfoque es inusual para estudiar fluidos, dice Kavokine. "En hidrodinámica, la pared es solo una pared, y no te importa de qué está hecha la pared. Nos dimos cuenta de que en la nanoescala, en realidad se vuelve muy importante". En particular, Kavokine se dio cuenta de que los efectos cuánticos en la interfaz grafeno-agua podrían producir fricción al permitir que el agua que fluye disipe energía en los electrones que fluyen en el grafeno.

Sorprendentemente, la pandemia de COVID-19 ayudó a la investigación. "Hubo una pronunciada curva de aprendizaje teórico para abordar este problema", dice Kavokine. "Tuve que leer muchos libros fundamentales y aprender cosas nuevas, y estar confinado durante varios meses realmente me ayudó".

Un factor crucial fue que algunos de los electrones del grafeno pueden moverse libremente a través del material. Además, esos electrones pueden interactuar electromagnéticamente con las moléculas de agua. Esto se debe a que cada molécula de agua tiene un extremo ligeramente cargado positivamente y un extremo ligeramente cargado negativamente debido a que el átomo de oxígeno tira con más fuerza de la nube de electrones que los átomos de hidrógeno.

En la explicación de los investigadores, los electrones en la pared de grafeno se mueven junto con las moléculas de agua que pasan. Pero los electrones tienden a retrasarse ligeramente, lo que ralentiza las moléculas. Este efecto se conoce como fricción electrónica o cuántica y solo se ha considerado anteriormente como un factor en las interacciones entre dos sólidos o una sola partícula y un sólido.

Sin embargo, la situación es más compleja cuando se trata de un líquido, donde muchas moléculas interactúan juntas. Los electrones y las moléculas de agua se sacuden debido a su energía térmica. Si se mueven a la misma frecuencia, se produce un efecto llamado resonancia que aumenta la fuerza de fricción cuántica. Este efecto de resonancia es mayor para los nanotubos con capas bien alineadas, ya que el movimiento de los electrones entre las capas está sincronizado con el de las moléculas de agua.

Esta nueva interacción entre líquidos y sólidos pasó desapercibida hasta ahora por dos razones principales, dice Kavokine. En primer lugar, la fricción resultante es tan pequeña que sería insignificante para materiales con superficies más rugosas. En segundo lugar, el efecto se basa en que los electrones tardan un tiempo en adaptarse a las moléculas de agua en movimiento. Las simulaciones moleculares no pueden detectar la fricción porque utilizan la aproximación de Born-Oppenheimer, que asume que los electrones se adaptan instantáneamente al movimiento de los átomos cercanos.

El nuevo estudio es teórico, por lo que los investigadores dicen que se necesitan experimentos para confirmar su propuesta y explorar algunas de sus consecuencias contrarias a la intuición. También señalan que existe la necesidad de simulaciones mejoradas que no se basen en la aproximación de Born-Oppenheimer. "Espero que esto cambie nuestra forma de lidiar con estos sistemas y aporte nuevas herramientas teóricas para otros problemas", dice Kavokine. + Explora más

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