Water stroomt met ongeveer dezelfde snelheid in een kopje, ongeacht of de waterfles van glas of plastic is gemaakt.

Maar op nanometerschaal voor water en mogelijk andere vloeistoffen, of de container van glas of plastic is, maakt wel degelijk uit. Een nieuwe studie toont aan dat in nanoscopische kanalen, de effectieve viscositeit van water in kanalen van glas kan twee keer zo hoog zijn als water in plastic kanalen. Nanoscopische glaskanalen kunnen water meer als ketchup laten stromen dan gewone H2O.

Het effect van containereigenschappen op de vloeistoffen die ze bevatten, biedt nog een ander voorbeeld van verrassende verschijnselen op nanoschaal. En het biedt ook een nieuwe factor waarmee de ontwerpers van kleine mechanische systemen rekening moeten houden.

"Op nanoschaal viscositeit is niet langer constant, dus deze resultaten helpen ons begrip van vloeistofstroom op deze schaal opnieuw te definiëren, " zei Elisa Riedo, een universitair hoofddocent aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "Iedereen die een experiment uitvoert, het ontwikkelen van een technologie of het proberen te begrijpen van een biologisch proces waarbij water of een andere vloeistof op deze schaal betrokken is, zal nu rekening moeten houden met de eigenschappen van oppervlakken."

Die effecten kunnen belangrijk zijn voor ontwerpers van apparaten zoals 3D-printers met hoge resolutie die gebruikmaken van spuitmondjes op nanoschaal, nanofluïdische systemen en zelfs bepaalde biomedische apparaten. Aangezien nano-beperkt water alomtegenwoordig is in dierlijke lichamen, in rotsen, en in nanotechnologie, dit nieuwe begrip zou een brede impact kunnen hebben.

Onderzoek naar de eigenschappen van vloeistoffen opgesloten door verschillende materialen werd gesponsord door het Department of Energy's Office of Basic Sciences en de National Science Foundation. De resultaten zouden op 19 september in het tijdschrift worden gerapporteerd Natuurcommunicatie .

De viscositeitsverschillen die worden gecreëerd door containermaterialen worden rechtstreeks beïnvloed door de mate waarin de materialen hydrofiel zijn - wat betekent dat ze water aantrekken - of hydrofoob, wat betekent dat ze het afstoten. De onderzoekers geloven dat in hydrofiele materialen, de aantrekkingskracht voor water - een eigenschap die bekend staat als "bevochtigbaarheid" - maakt watermoleculen moeilijker te verplaatsen, bijdragen aan een verhoging van de effectieve viscositeit van de vloeistof. Anderzijds, water wordt niet zo aangetrokken door hydrofobe materialen, waardoor de moleculen gemakkelijker te verplaatsen zijn en een lagere viscositeit wordt geproduceerd.

In onderzoek gerapporteerd in het tijdschrift, dit watergedrag trad alleen op als water werd beperkt tot ruimten van enkele nanometers of minder - het equivalent van slechts een paar lagen watermoleculen. De viscositeit bleef toenemen naarmate de oppervlakken dichter naar elkaar toe werden bewogen.

Het onderzoeksteam bestudeerde water opgesloten door vijf verschillende oppervlakken:mica, grafeen oxide, silicium, diamantachtige koolstof, en grafiet. Mica, gebruikt in de boorindustrie, was de meest hydrofiele van de materialen, terwijl grafiet het meest hydrofoob was.

"We zagen een duidelijke één-op-één relatie tussen de mate waarin het opsluitmateriaal hydrofiel was en de viscositeit die we hebben gemeten, ' zei Riedo.

Experimenteel, de onderzoekers begonnen met het voorbereiden van atomair gladde oppervlakken van de materialen, dan het plaatsen van zeer gezuiverd water op hen. Volgende, een AFM-tip gemaakt van silicium werd op verschillende hoogten over de oppervlakken bewogen totdat deze contact maakte. De tip - ongeveer 40 nanometer in diameter - werd vervolgens opgetild en de metingen gingen door.

Naarmate de viscositeit van het water toenam, de kracht die nodig is om de AFM-tip te verplaatsen nam ook toe, waardoor het lichtjes draait op de vrijdragende balk die wordt gebruikt om de punt omhoog en omlaag te brengen. Veranderingen in deze torsiehoek werden gemeten door een laser die weerkaatste tegen de reflecterende cantilever, geeft een indicatie van veranderingen in de kracht die op de punt wordt uitgeoefend, de uitgeoefende viskeuze weerstand - en dus de effectieve viscositeit van het water.

"Toen de AFM-tip ongeveer een nanometer verwijderd was van het oppervlak, we begonnen een toename te zien van de viskeuze kracht die op de punt inwerkte voor de hydrofiele oppervlakken, " zei Riedo. "We moesten grotere krachten gebruiken om de punt op dit punt te verplaatsen, en hoe dichter we bij de oppervlakte kwamen, hoe dramatischer dit werd."

Die verschillen kunnen worden verklaard door te begrijpen hoe water zich op verschillende oppervlakken anders gedraagt.

"Op nanoschaal interactiekrachten tussen vloeistof en oppervlak worden belangrijk, vooral wanneer de vloeibare moleculen zijn opgesloten in kleine ruimtes, " legde Riedo uit. "Als de oppervlakken hydrofiel zijn, het water plakt aan het oppervlak en wil niet bewegen. Op hydrofobe oppervlakken, het water glijdt over de oppervlakten. Met deze studie, niet alleen hebben we deze bevochtigingsafhankelijke viscositeit op nanoschaal waargenomen, maar we hebben ook de oorsprong van de waargenomen veranderingen kwantitatief kunnen verklaren en deze kunnen relateren aan grensverschuiving. Dit nieuwe begrip was in staat om eerdere onduidelijke resultaten van energiedissipatie tijdens dynamische AFM-onderzoeken in water te verklaren."

Terwijl de onderzoekers tot nu toe alleen het effect van de materiaaleigenschappen in waterkanalen hebben bestudeerd, Riedo verwacht soortgelijke experimenten uit te voeren op andere vloeistoffen, inclusief oliën. Naast eenvoudige vloeistoffen, ze hoopt complexe vloeistoffen te bestuderen die zijn samengesteld uit nanodeeltjes in suspensie om te bepalen hoe het fenomeen verandert met deeltjesgrootte en chemie.

"Er is geen reden waarom dit niet zou gelden voor andere vloeistoffen, wat betekent dat dit de manier zou kunnen veranderen waarop vloeistofdynamica op nanoschaal wordt begrepen, " zei ze. "Elke technologie en elk natuurlijk proces dat vloeistoffen gebruikt die op nanoschaal zijn beperkt, zal worden beïnvloed."