(Phys.org) — Er waren hoge verwachtingen van het gebruik van koolstofnanobuisjes, in het bijzonder voor ultrasnel watertransport om zeewater te ontzilten. Echter, een simulatie laat nu zien dat deze ultrasnelle transportsnelheden misschien toch niet goed zijn geaard. Onderzoekers die met experimenten en computermodellen werken, zijn het sindsdien oneens over de mogelijkheden en de heersende fysica van het materiaal.

Koolstofnanobuisjes (CNT's) hebben sinds hun ontdekking in 1991 veel belangstelling gewekt in de wereld van de wetenschap. het materiaal heeft ongebruikelijke eigenschappen waardoor het ideaal is voor verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, CNT's worden in de elektrotechniek gebruikt als tips voor krachtige scanning tunneling microscopen, als versterkingsvezels in kunststof of voor specifieke vliegtuigonderdelen. CNT's hebben sommigen tot de wilde verbeelding gewekt dat touwen gemaakt van deze nanobuisjes op een dag liften van de aarde de ruimte in kunnen dragen.

Het gebruik van CNT-membranen als filtermedium is wellicht realistischer. Experimenten en simulaties geven aan dat watermoleculen extreem snel door dergelijke membranen stromen, waardoor ze interessant zijn als filters voor kostenefficiënte zeewaterontziltingsinstallaties:watermoleculen gaan door de ultrasmalle poriën, zoute ionen niet. Dit potentieel voor CNT-membranen wordt dus intensief onderzocht.

Grens geïdentificeerd theoretisch sterk overschreden

Watertransport door leidingen is gebaseerd op een gevestigde formule uit de vloeistofdynamica. De formule beschrijft de stroomsnelheid, die wordt berekend aan de hand van de lengte en diameter van de buis en het drukverschil tussen de in- en uitlaat van de vloeistof aan de respectieve buisuiteinden. Experimenten hebben watertransportsnelheden voor CNT's opgeleverd die zogenaamd 100 zijn, 000 keer groter dan de theoretisch berekende limiet op macroschaal die van toepassing zou zijn op watertransport door dergelijke nanobuisjes. De weegschaal is cruciaal voor ultrasnelle transportprocessen. Op nanoschaal is er is beweerd dat watermoleculen letterlijk door de koolstofnanobuisjes vliegen zonder de hydrofobe wanden te raken, vandaar hun verminderde wrijving en verbeterde transportsnelheden. En hoe smaller de CNT's zijn, hoe hoger de tarieven voor vervoer over water.

Echter, het verhaal van CNT's is bezaaid met controverses. Terwijl sommige experimentele onderzoekers een stroomsnelheid van 100 hebben waargenomen, 000 keer groter en publiceerde dit in Natuur , anderen hebben waterstromen gemeten die slechts 100 tot 1000 keer zijn verbeterd. Simulaties hielpen ook niet om de vraag te beantwoorden of CNT-membranen echt zoveel potentieel hebben. Eerdere computermodellen houden rekening met te weinig watermoleculen en CNT's die te kort zijn in vergelijking met de experimenteel gebruikte CNT's. Simulaties die een 100 rapporteerden, 000-voudige verbetering kwam pas op deze waarde door een extrapolatie.

Nieuwe simulatie doet twijfel rijzen over ultrasnel transport

Een team van onderzoekers onder leiding van professor Petros Koumoutsakos heeft dit wetenschappelijke debat nu aangewakkerd met de grootste en meest gedetailleerde simulatie van waterstroom door koolstofnanobuisjes tot nu toe. Het computermodel simuleert CNT's van dezelfde lengte als die welke in experimenten worden gebruikt. Er is zojuist een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

interessant, de simulaties hebben slechts een 200-voudige verbetering van de waterstroom kunnen bevestigen en bevestigen de 100 niet, 000-voudige verbetering die door sommige experimentatoren was geclaimd. Voor Petros Koumoutsakos, deze gerapporteerde ultrasnelle tarieven zijn een mysterie. "Onze simulaties suggereren dat zulke hoge stroomsnelheden niet mogelijk zijn voor zuiver water en CNT's, " zegt de ETH-professor in Zürich. Koumoutsakos kon bevestigen dat een grotere CNT-lengte de waterstroom verbetert, zij het slechts tot een bepaalde lengte. Na 500 nm blijven de transportsnelheden grotendeels onveranderd. Hij slaagde er ook in theoretische belemmeringen voor het binnendringen van water te simuleren en te verklaren en uitgang van een buis die de stroomsnelheid verminderen. dit heeft alleen invloed op korte CNT's, nauwelijks invloed op lange.

Miljoenen virtuele moleculen passeren CNT's

Het rekenmodel is gebaseerd op nanobuisjes van zuivere koolstof met een lengte van één micrometer en een diameter van ongeveer twee nanometer, waardoor de computerwetenschappers miljoenen virtuele watermoleculen gekanaliseerd hebben. De simulaties bij de leerstoel Computational Science zijn ongekend in omvang en ze waren haalbaar dankzij de grootschalige computer van het Swiss Center for Scientific Computing in Lugano.

De computationele wetenschapper kan niet begrijpen waarom de stroomsnelheid van zijn simulatie zo veel afwijkt van de waarden die in bepaalde experimenten worden gemeten. "Onze resultaten vallen zelfs samen met resultaten van recentere experimentele tests, " benadrukt Koumoutsakos. Hij vermoedt dat chemische modificaties van de CNT's of andere niet-waargenomen fenomenen de stroom zouden kunnen verbeteren. de simulatie houdt geen rekening met dergelijke onzuiverheden, hij zegt. Bijgevolg, Koumoutsakos voorziet de ontwikkeling van computermodellen die ook rekening houden met dergelijke onzekerheden en deze kwantificeren.

De hoogleraar ETH-Zürich hoopt dat zijn computermodel andere onderzoekers zal aanmoedigen om hun experimenten opnieuw te bekijken en samen te werken om onzekerheden in experimenten en simulaties te kwantificeren. Naar zijn mening, gegevens die in experimenten zijn verkregen, moeten worden geback-upt met simulaties voordat ze in de toekomst worden gepubliceerd.

Experimenten leveren een breed scala aan gegevens op

Hyung Gyu-park, een assistent-professor energietechnologie aan de ETH Zürich, is een van de onderzoekers die de stroomsnelheden experimenteel heeft bepaald. Hij voerde experimenten uit met CNT's die Koumoutsakos nu gedeeltelijk in twijfel trekt en publiceerde de resultaten in het tijdschrift Wetenschap in 2006. Park observeerde transportsnelheden van 500 tot 8, 500 keer hoger dan de theoretische voorspellingen. In het gunstigste geval, de waarden die hij via experimenten en de simulatie heeft verkregen, wijken 2,5 keer af. "Daarom, ze passen redelijk goed bij elkaar, " hij zegt.

Park erkent dat Koumoutsakos en zijn team een ​​uitstekende simulatie van moleculaire dynamica hebben bereikt. De computerwetenschappers deden grondig onderzoek naar de benodigde vloeistoffysica en konden zo de stroming van water in grafietomgevingen goed beschrijven op nanometerschaal. Echter, de Koreaanse onderzoeker wijst erop dat dit soort simulatie methodologische beperkingen heeft:"Deze simulatie zou ons een stap dichter bij echte experimentele omstandigheden kunnen brengen, maar ze weerspiegelen nog niet volledig de realiteit."

Park zegt dat de benadering van de informaticus in principe correct is. Echter, de voorwaarden waarop de simulaties zijn gebaseerd, verschillen van zijn experimenten. Bijvoorbeeld, hij gebruikte koolstofnanobuisjes met een diameter tussen één en twee nanometer. In de simulatie, echter, de diameter bedroeg 2,03 nanometer. Hoewel het verschil misschien klein en onbeduidend lijkt, op deze schaal verandert het watertransport sterk, zoals Park experimenteel heeft waargenomen. De simulatie hield ook rekening met slechts één buisdiameter; zijn experimenten, echter, nam er meerdere.

Vruchtbare discussie tussen afdelingen

Ondanks zijn kritiek, Park ziet de simulatie ontwikkeld door zijn afdelingscollega als een belangrijke bijdrage, waar experimenteel onderzoek alleen maar baat bij heeft. Hij beschouwt het als een vooruitgang in het modelleren van stromingsverschijnselen op nanometerschaal en onder omstandigheden die heersen in grafietomgevingen. "Ik zal dit model en mijn resultaten in de toekomst zorgvuldig controleren met nanobuismembranen, benadrukt hij. hij geeft toe, het is erg moeilijk om dergelijke transportprocessen op nanometerschaal experimenteel te meten. Bovendien, het is een uitdaging om een ​​biljoen (10 .) te synthetiseren ¹² ) CNT's met een constante diameter voor het construeren van een membraanapparaat ter grootte van een centimeter, een prestatie die de onderzoeksgroep van Park onlangs heeft geleverd. Ze werken momenteel aan de productie van CNT-membranen op grotere schaal.

Ondanks hun wetenschappelijke debat, beide wetenschappers zien het als een zeldzaam voorrecht dat onderzoekers in dezelfde instelling aan experimenten en simulaties over dit onderwerp werken. "Ik ben ervan overtuigd dat onze gezonde concurrentie en samenwerking tussen wetenschappers uit beide vakgebieden dit opwindende onderzoeksveld goed van pas zal komen, ' zegt Parket.