Нанопровода способны поднимать жидкость, как трубы

Источник: mit.edu

Можно ли пить воду из стакана, пользуясь не соломинкой для коктейлей, а сплошной проволокой? Оказывается, в наномасштабе такое возможно, и для подъема воды даже не нужно всасывание. Это подтвердило новое исследование, проведенное в Массачусетском технологическом институте (США), в группе под руководством профессора Чжу Ли. Также в работе принимали участие специалисты из Национальной лаборатории Сандиа в Нью-Мексико, Университета Пенсильвании, Университета Питтсбурга и Университета Чжэцзян в Китае. Стоит отметить, что теоретики уже давно предсказали возможность подъема жидкости по поверхности нанопроводов. Но до сих пор ученым не удавалось понаблюдать это явление «в живую». Процесс проходит в таких масштабах, что его невозможно зафиксировать при помощи оптических микроскопов. Электронные микроскопы должны работать в вакууме, но такие условия приводят к мгновенному испарению жидкости. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи использовали ионную жидкость DMPI-TFSI, которая остается стабильной даже при мощном вакууме.

Но они уверены, что полученные результаты верны и для большинства других типов жидкости, включая воду. Итак, если в емкость с жидкостью погрузить нанопроволоку с диаметром около сотни нанометров, жидкость стремится по ее поверхности вверх, образуя тончайшую пленку. Это открытие может найти применение в разработке новых микрофлюидных устройств для биомедицинских исследований, а также в создании струйных принтеров. Как поясняет профессор Ли, на молекулярном уровне жидкость пытается покрыть твердую поверхность, так как всасывается под действием капиллярных сил. В малых масштабах, когда жидкость образует пленку толщиной менее 10 нм, она движется как гладкий слой (так называемая пленка — предшественник). Когда пленка становится более толстой, начинает действовать нестабильность (так называемая неустойчивость Рэлея), в результате образуются капли.

Но капли остаются подключенными к поверхности через пленку — предшественник, и в некоторых случаях продолжают двигаться вверх по поверхности нанопроводов. В других случаях эти капли становятся стационарными, даже если жидкость внутри них течет вверх. Разница между гладкой пленкой — предшественником и каплями заключается в том, что в тонкой пленке каждая молекула жидкости находится достаточно близко, чтобы напрямую взаимодействовать с молекулами твердой основы через квантово-механические эффекты. В итоге возникают силы, подавляющие неустойчивость Рэлея, которая могла бы привести к образованию капель. Но с каплями или без, восходящий поток жидкости, действующий вопреки силе тяжести, представляет собой непрерывный процесс. Ученые попытались дополнить этот эффект различными способами. В частности, добавление электрического напряжения к нанопроводу усиливает скорость подъема жидкости. Аналогичного результата можно добиться и путем изменения профиля провода таким образом, чтобы он был сужен у одного конца.

Исследователи использовали нанопровода из различных материалов — кремния, оксида цинка и оксида олова, а также из двумерного графена, чтобы продемонстрировать, что данный процесс относится к различным поверхностям. Методика, разработанная учеными МИТ, позволяет наблюдать взаимодействие между твердыми и жидкими веществами практически в наименьших масштабах. В ближайшем будущем профессор Ли и его коллеги планируют изучать поведение различных жидкостей (в том числе и воды) с использованием «сэндвича» — прозрачной твердой оболочки. Это даст возможность исследовать под электронным микроскопом взаимодействия твердых тел и жидкостей, имеющие отношения к коррозии, электроосаждению и эксплуатации аккумуляторов.