Hoe nauwer het nanobuisje is, hoe sneller water erdoorheen stroomt

Hoe kleiner je onderzoeksobject hoe vreemder het zich kan gedragen. Daar weten deeltjesfysici alles van. Dit blijkt ook te gelden voor water dat door minuscule nanobuisjes van koolstof stroomt. Deze waterstromingen zijn niet te verklaren met de huidige vloeistofdynamicatheorieën. Zo stroomt het water, paradoxaal genoeg, gemakkelijker en sneller door smallere nanobuisjes dan door bredere.

Om dit te verklaren, stellen drie onderzoekers het bestaan van een niet eerder beschreven vorm van wrijving voor: quantumwrijving. Hun theoretische onderzoek verscheen woensdag in Nature.

De kleine koolstofnanobuisjes worden veel onderzocht vanwege veelbelovende toepassingen, bijvoorbeeld in membranen om water te filteren, zeewater te ontzilten of energie op te wekken uit zout en zoet water. Hoewel deze toepassingen ver weg zijn – grootschalige productie lukt nog niet – is meer begrip van onder meer wrijving belangrijk.

Supergladde buisjes

De onderzoekers keken naar koolstofbuisjes met een diameter van twintig tot honderd nanometer – een nanometer is een miljoenste millimeter. Die zijn opgebouwd uit meerdere lagen flinterdun, maar sterk grafeen – dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat. De afgelopen vijftien jaar toonden verschillende experimenten aan dat water soepel en snel door deze buisjes stoomt omdat er nauwelijks wrijving is tussen de watermoleculen en het grafeen.

„Dit was geen verrassing”, vertelt Nikita Kavokine van het Amerikaanse onderzoeksinstituut Flatiron Institute en een van de drie onderzoekers. Bekende vloeistofdynamicatheorieën vertellen je namelijk dat hoe ruwer het oppervlak van de binnenwand, hoe meer wrijving er is en hoe trager het water stroomt. „De koolstofbuisjes zijn superglad. Daarom verwacht je nauwelijks wrijving.”

„Maar we zagen echter ook iets geks dat we niet met de bekende vloeistofdynamica konden verklaren”, vervolgt Kavokine. „De hoeveelheid wrijving blijkt af te hangen van de diameter van de nanobuisjes. Hoe smaller het buisje, hoe minder wrijving.”

Geduw en getrek tussen elektronen heeft een remmend effect

Om dit te verklaren moesten de onderzoekers inzoomen. In de vloeistofdynamica gaat het alleen om de ruwheid van de wand. Op deze kleine schaal blijkt ook het materiaal zelf een rol te spelen. In de grafeenlagen zitten elektronen die door de temperatuur en quantumeffecten door het materiaal bewegen. Die negatief geladen elektronen duwen en trekken aan de watermoleculen die aan de ene kant een beetje positief en aan de andere kant een beetje negatief geladen zijn. Dit geduw en getrek tussen elektronen in het grafeen en watermoleculen, wordt quantumwrijving genoemd. Het zorgt dat de watermoleculen vertragen en het water trager stroomt.

Maar waarom hebben smalle buisjes minder wrijving? „Volgens onze theoretische beschrijving is quantumwrijving het sterkst als de bewegingen van de elektronen en watermoleculen resoneren”, zegt Kavokine. „Als de grafeenlagen netjes op elkaar liggen, dan kunnen de elektronen er vrij tussen bewegen, waardoor ze gemakkelijker resoneren met de watermoleculen. Als je de buisjes smaller maakt, dan is het lastiger om het grafeen netjes te stapelen. De elektronen hebben dan minder bewegingsvrijheid.” Daardoor kunnen ze minder goed ‘trekken’ aan de watermoleculen en is er minder wrijving en stroomt het water soepeler en sneller door de smalle buisjes.

„Ik vind het niet verrassend dat quantumeffecten een rol kunnen spelen voor de wrijving tussen grafeen-achtige materialen en water”, mailt Remco Hartkamp van de TU Delft, die niet betrokken was bij het onderzoek. „Het is wel verrassend dat die quantumeffecten volgens dit artikel verantwoordelijk zijn voor hogere wrijving tussen water en laagjes grafeen. Het is naar mijn weten het eerste artikel dat de vrijheid van de elektronen meeneemt, met veelbelovende resultaten.”

De onderzoekers werken nu aan experimenten om hun theoretische quantumwrijvingsmodel te testen.