Water stroomt op een gekke manier door smalle koolstofbuisjes. Nu is daar een verklaring voor: het is te wijten aan quantumwrijving.
Om de een of andere reden stroomt water gemakkelijker door smallere koolstofnanobuisjes dan door bredere. Nu hebben natuurkundigen eindelijk uitgevogeld waarom dat zo is. Het antwoord is te vinden op de quantumschaal, waar een bijzonder soort wrijving optreedt.
Gebroken wet
Het concept ‘wrijving’ is welbekend: hoe meer contactoppervlak tussen twee dingen die langs elkaar heen schuiven, hoe groter de energie die nodig is om de wrijving te overwinnen. Een smalle pijp heeft in verhouding tot zijn doorsnede een groter wandoppervlak dan een brede pijp. Je zou dus verwachten dat de wrijvingskrachten op stromend water in een smalle pijp groter zijn dan in een brede. Met andere woorden: water zou minder gemakkelijk door een smalle pijp moeten stromen.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Koolstofnanobuizen breken deze wet. Dergelijke buisjes zijn gemaakt van dunne lagen grafiet, die zijn opgerold tot buisjes van slechts enkele nanometers breed. Bij deze buisjes geldt juist: hoe smaller de buis, hoe gemakkelijker het water erdoorheen stroomt.
Bovendien stroomt water gemakkelijker door nanobuisjes met dunnere wanden – die gemaakt zijn van minder opeengestapelde lagen grafiet – ongeacht de diameter van de buis. Beide fenomenen waren tot nu toe niet verklaard.
Trekken en duwen
Natuurkundige Nikita Kavokine van het Flatiron-instituut in New York en zijn collega’s zeggen nu dat het antwoord te vinden is in iets dat zij quantumwrijving noemen. Om tot die conclusie te komen, combineerden zij hun kennis van quantumtheorie en vloeistofdynamica.
‘Water bestaat uit een heleboel watermoleculen die bij kamertemperatuur allemaal in andere richtingen bewegen en tegen elkaar botsen’, zegt Kavokine. Omdat de moleculen nooit helemaal netjes verdeeld zitten, is water op microscopisch niveau elektrisch geladen. De vrij bewegende elektronen in koolstofnanobuisjes duwen en trekken vervolgens aan deze microscopische ladingen in het water. Dat creëert quantumwrijving, aldus de onderzoekers.
Verstoorde structuur
De wanden van koolstofnanobuisjes bestaan gewoonlijk uit honderden grafietlagen, die nauwkeurig op elkaar zijn gelegd. Volgens Kavokine en zijn collega’s raakt de keurige structuur echter aangetast wanneer je de lagen oprolt. Daardoor kunnen de elektronen in de nanobuisjes zich niet langer vrij bewegen. Het gevolg is dat hoe smaller de nanobuis is – en dus hoe meer de structuur is aangetast – hoe minder bewegelijke elektronen er beschikbaar zijn om aan het water te duwen en trekken. En dus hoe kleiner de quantumwrijving is.
De redenatie gaat ook op voor nanobuizen met dikkere wanden. Hierin zitten meer elektronen die aan het water kunnen duwen en trekken, aldus het team. Daarom zie je bij dikke nanobuizen meer quantumwrijving dan bij buisjes met dunnere wanden.
‘Onze quantumwrijvingstheorie is de eerste redelijke verklaring voor wat we zien gebeuren’, zegt Kavokine. Volgens hem zijn we dankzij dit nieuwe begrip in een betere positie om de eigenschappen van nanostromen optimaal te benutten. Er zijn bijvoorbeeld ideeën om nieuwe computers te ontwerpen die werken op basis van water- en ionentransport op nanoschaal.
