In een nieuwe studie, onderzoekers hebben water nanodruppels over een grafeenoppervlak voortgestuwd met snelheden tot 250 km (155 mijl) per uur - wat, ter vergelijking, is ongeveer twee keer zo snel als een sprintende cheeta. De ultrasnelle snelheden van de waterdruppels vereisen geen pomp, maar komen in plaats daarvan eenvoudigweg voor vanwege de geometrische patronen op het grafeenoppervlak, die verschillende contacthoeken creëren aan de voor- en achterkant van de bewegende druppels om ze naar voren te stuwen.

De onderzoekers, Ermioni Papadopoulou en Petros Koumoutsakos bij ETH Zürich, Constantine M. Megaridis aan de Universiteit van Illinois in Chicago, en Jens H. Walther aan de ETH Zürich en de Technische Universiteit van Denemarken, hebben een artikel gepubliceerd over de snel bewegende waterdruppels in een recent nummer van ACS Nano .

"We kunnen zeer snel gericht transport van waterdruppels op nanoschaal krijgen, zonder enige energie te verbruiken, maar gewoon door het patroon van grafeen, " vertelde Koumoutsakos Phys.org . "Dit kan belangrijke toepassingen hebben in nanofabricage en nauwkeurige medicijnafgifte. Het biedt ook voor de eerste keer een eenvoudige kwantitatieve verklaring voor het ultrasnelle transport van water op nanoschaal."

Deze vervoerswijze op nano-/microschaal is heel anders dan alles wat op macroschaal wordt waargenomen. Het grafeenoppervlak werd structureel van een patroon voorzien om bevochtigingsgradiënten te creëren, variërend van hydrofoob tot hydrofiel. De water nanodruppels, elk bestaande uit ongeveer 1500 watermoleculen, werden vervolgens op het oppervlak geplaatst. De verschillende oppervlaktepatronen creëerden grote contacthoeken op de hydrofobe domeinen en kleinere contacthoeken op de hydrofiele domeinen. De verschillen in de contacthoeken aan de oplopende en teruglopende uiteinden van de waterdruppels zetten de druppels in beweging en versnelden ze naar voren.

Soortgelijke mechanismen komen voor in de natuur, zoals op het oppervlak van de Namib-woestijnkever en het adernetwerk van bananenbladeren. Deze oppervlakken hebben patronen die resulteren in een betere opvang en transport van water.

In experimenten met het grafeen, de onderzoekers observeerden snelheden van waterdruppels in de orde van 100 meter per seconde, wat twee ordes van grootte sneller is dan de hoogste gerapporteerde snelheden voor waterdruppels voortgestuwd door bepaalde andere methoden, zoals oppervlakte-energiegradiënten. Zoals verwacht, kleinere druppeltjes bewegen sneller dan grotere vanwege de grotere traagheid van de grotere druppeltjes en grotere wrijving met het oppervlak.

Na analyse van de onderliggende mechanismen voor het watertransport, de onderzoekers hebben een schaalwet afgeleid en een model ontwikkeld dat kan worden gebruikt om druppeltrajecten te voorspellen. Deze informatie kan worden gebruikt om toekomstige apparaten te ontwerpen voor mogelijke toepassingen, zoals zeer efficiënte medicijnafgifte, elektriciteitsopwekking, en ultrasnelle warmteafvoer voor nano- en microschaalsystemen. De onderzoekers zijn van plan om de mechanismen voor snelle watertransport op andere plaatsen dan grafeen verder te onderzoeken.

"We onderzoeken ultrasnel transport van water in andere nanostructuren, zoals koolstof nanobuisjes, ' zei Koumoutsakos.

© 2019 Wetenschap X Netwerk