Duża lepkość wody przy przepływie przez nanorurki

Duża lepkość wody przy przepływie przez nanorurki

Zespół naukowców z amerykańskiego instytutu Georgia Tech odkrył, że woda przy przepływie przez nanorurki węglowe o średnicy 2 nm posiada diametralnie różną lepkość od tej, jaką znamy na co dzień. Woda taka przypomina melasę, której lepkość w 25 stopniach Celsjuszach (w zależności od składu) zawiera się w granicach 5- 10 tys. mPa•s. Standardowo woda ma lepkość 1 mPa•s, a dla porównania olej silnikowy – ok. 250 mPa•s. Określenie właściwości wody przy przepływie przez kanały o kilku nanometrowej średnicy może stanowić ważny krok do przodu rozwoju biologii i medycyny.

Woda jest jedną z najbardziej ciekawych cieczy jakie znamy – podczas jej sprężania aż do postaci ciała stałego jej gęstość wzrasta, jednak gdy zamienia się ona w lód jej gęstość maleje. Dotychczas naukowcy sądzili, że woda przy przepływie przez nanorurki powinna się zachowywać podobnie jak to ma miejsce przy przepływie np. przez rury wodociągowe. Przeprowadzono w tym kierunku kilka badań, które potwierdziły ten fakt, po czym kwestię uznano za zamkniętą.

Kiedy jednak fizyk z Georgia Tech, Elisa Riedo wraz z zespołem zajęła się bezpośrednim pomiarem siły koniecznej do przetłoczenia wody przez 2 nanometrowy kanał okazało się, że woda w takich warunkach układa się w warstwy i powoduje duży opór przy przepływie. Badania te zostały przeprowadzone za pomocą Mikroskopu Sił Atomowych (z ang. AFM), z igłą detektora na końcu której umieszczono atom krzemu. Następnie tą igłą przetłaczano wodę przez nanometrowej grubości przepuszczalną powłokę i rejestrowano siłę konieczną do przetłoczenia wody z jednej strony powłoki na drugą. Początkowo zakładano, że siła konieczna do przetransportowania wody przez nanometrowej średnicy kanał będzie niewielka, zgodna z lepkością, jaką ma woda w normalnych warunkach. Okazało się jednak, że rezultaty tego badania były takie, że czysta woda dała wyniki podobne do o wiele bardziej lepkiej melasy. W tym momencie zadać można pytanie – dlaczego dotychczas badacze mylili się w sprawie przepływu wody przez nanometrowe kanały? Otóż technika nie pozwalała na bezpośredni pomiar siły koniecznej do przetłoczenie cząsteczek wody przez kanał o średnicy 2 nm.

Riedo i Landman przeprowadzili swoje eksperymenty w różnych warunkach i zauważyli, że np. silniejszy efekt powstawania warstw wody obserwuje się przy materiałach o właściwościach hydrofilowych, takich jak szkło niż hydrofobowych (np. grafit).

(pj)