Transferência de calor e atrito na interface sólido-líquido. a, Esquema do sistema em estudo: a interface entre a água e uma folha de grafeno. A imagem enfatiza a nuvem de elétrons e sua excitação de plásmon semelhante a uma onda. b, Processos de transferência de momento na interface sólido-líquido. Um líquido fluindo (o perfil de fluxo é mostrado pelas finas setas azuis) pode não apenas transferir momento para a rede cristalina (vibrações excitantes de fônons) por meio de fricção hidrodinâmica clássica, mas também diretamente para os elétrons por meio de fricção quântica. c, Processos de transferência de energia (ET) na interface sólido-líquido. Na via “clássica” normalmente assumida, os elétrons quentes primeiro transferem energia para os fônons, que transferem energia para o líquido. Uma via “quântica” alternativa consiste em os elétrons transferirem energia diretamente para o líquido através do acoplamento de Coulomb. Crédito: Natureza Nanotecnologia (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3
Água e carbono formam um par quântico: o fluxo de água em uma superfície de carbono é governado por um fenômeno incomum chamado fricção quântica. Um novo trabalho publicado em Natureza Nanotecnologia demonstra experimentalmente esse fenômeno – previsto em um estudo teórico anterior – na interface entre a água líquida e o grafeno, uma única camada de átomos de carbono. Técnicas ultrarrápidas avançadas foram usadas para realizar este estudo. Esses resultados podem levar a aplicações em processos de purificação e dessalinização de água e talvez até mesmo em computadores baseados em líquidos.
Nos últimos 20 anos, os cientistas ficaram intrigados com o comportamento da água perto de superfícies de carbono. Pode fluir muito mais rápido do que o esperado pelas teorias de fluxo convencionais ou formar arranjos estranhos, como gelo quadrado. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores do Instituto Max Plank de Pesquisa de Polímeros de Mainz (Alemanha), do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2, Espanha) e da Universidade de Manchester (Inglaterra), relata no estudo publicado na Natureza Nanotecnologia em 22 de junho de 2023, que a água pode interagir diretamente com os elétrons do carbono – um fenômeno quântico muito incomum na dinâmica dos fluidos.
Um líquido, como a água, é composto de pequenas moléculas que se movem aleatoriamente e colidem constantemente umas com as outras. Um sólido, em contraste, é feito de átomos bem organizados que se banham em uma nuvem de elétrons. Supõe-se que os mundos sólido e líquido interagem apenas por meio de colisões das moléculas do líquido com os átomos do sólido – as moléculas do líquido não “vêem” os elétrons do sólido. No entanto, há pouco mais de um ano, um estudo teórico de mudança de paradigma propôs que, na interface água-carbono, as moléculas do líquido e os elétrons do sólido se empurram e se puxam, diminuindo o fluxo do líquido: esse novo efeito foi chamado de fricção quântica . No entanto, a proposta teórica carecia de verificação experimental.
“Já usamos lasers para ver o atrito quântico em ação”, explica o principal autor do estudo, Dr. Nikita Kavokine, pesquisador do Max Planck Institute em Mainz e do Flatiron Institute em Nova York. A equipe estudou uma amostra de grafeno – uma única monocamada de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel. Eles usaram pulsos de laser vermelho ultracurtos (com duração de apenas um milionésimo de bilionésimo de segundo) para aquecer instantaneamente a nuvem de elétrons do grafeno. Eles então monitoraram seu resfriamento com pulsos de laser terahertz, que são sensíveis à temperatura dos elétrons do grafeno. Essa técnica é chamada de espectroscopia de sonda de bomba óptica-terahertz (OPTP).
Para sua surpresa, a nuvem de elétrons esfriou mais rápido quando o grafeno foi imerso em água, enquanto a imersão do grafeno em etanol não fez diferença na taxa de resfriamento. “Esta foi mais uma indicação de que o casal água-carbono é de alguma forma especial, mas ainda tínhamos que entender o que exatamente estava acontecendo”, diz Kavokine. Uma possível explicação era que os elétrons quentes empurram e puxam as moléculas de água para liberar parte de seu calor; em outras palavras, eles esfriam por fricção quântica. Os pesquisadores mergulharam na teoria e, de fato, o atrito quântico água-grafeno poderia explicar os dados experimentais.
“É fascinante ver que a dinâmica do portador do grafeno continua nos surpreendendo com mecanismos inesperados, desta vez envolvendo interações sólido-líquido com moléculas nada menos que a onipresente água”, comenta o professor Klaas-Jan Tielrooij do ICN2 (Espanha) e TU Eindhoven ( Os Países Baixos). O que torna a água especial aqui é que suas vibrações, chamadas hydrons, estão em sincronia com as vibrações dos elétrons do grafeno, chamados plasmons, de modo que a transferência de calor entre o grafeno e a água é intensificada por meio de um efeito conhecido como ressonância.
Os experimentos confirmam assim o mecanismo básico do atrito quântico sólido-líquido. Isso terá implicações nos processos de filtração e dessalinização, nos quais o atrito quântico pode ser usado para ajustar as propriedades de permeação das membranas nanoporosas. “Nossas descobertas não são apenas interessantes para os físicos, mas também têm implicações potenciais para eletrocatálise e fotocatálise na interface sólido-líquido”, diz Xiaoqing Yu, Ph.D. aluno do Max Planck Institute em Mainz e primeiro autor da obra.
A descoberta se resumia a reunir um sistema experimental, uma ferramenta de medição e um arcabouço teórico que raramente andam de mãos dadas. O principal desafio agora é obter controle sobre a interação água-elétron. “Nosso sonho é ativar e desativar o atrito quântico sob demanda”, diz Kavokine. “Desta forma, poderíamos projetar processos de filtragem de água mais inteligentes, ou talvez até mesmo computadores baseados em fluidos.”
Xiaoqing Yu et al, Resfriamento de elétrons em grafeno aprimorado por ressonância plasmon-hidron, Natureza Nanotecnologia (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3
Fornecido pela Sociedade Max Planck
Citação: O fluxo de água em uma superfície de carbono é governado por fricção quântica, diz estudo (2023, 23 de junho) recuperado em 23 de junho de 2023 em https://phys.org/news/2023-06-carbon-surface-quantum-friction.html
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