Fenomena baru ‘gesekan kuantum’ menjelaskan sifat aneh air | Riset

Fenomena baru ‘gesekan kuantum’ menjelaskan sifat aneh air |  Riset post thumbnail image

Prize mingguan Paito Warna SGP 2020 – 2021.

Gesekan kuantum

‘Gesekan kuantum’ – komponen gesekan yang tidak ada dalam fisika klasik, telah didalilkan oleh para peneliti di Prancis untuk menjelaskan anomali dalam perilaku air pada permukaan berbasis karbon seperti grafit, grafena, dan tabung nano karbon. Secara umum fenomena ini belum diketahui, tetapi berpotensi berguna di bidang-bidang seperti desalinasi yang membutuhkan membran permeabel selektif.

Pada skala makroskopik, laju aliran cairan melewati padatan biasanya mendekati nol pada antarmuka, membuat aliran keseluruhan hanya bergantung pada viskositas cairan. Namun, pada skala nano, ketika hanya lapisan cair yang sangat tipis yang mengalir, gesekan cair-padat menjadi penting. Secara tradisional, para ilmuwan menganggap gesekan sebagai akibat dari kekasaran permukaan padat. Namun, ini gagal untuk menjelaskan beberapa pengamatan eksperimental yang aneh: terutama, air mengalir melalui saluran mikofluida di graphene jauh lebih cepat daripada di grafit curah. Lebih aneh lagi, pada tahun 2016 Lydéric Bocquet dan rekan-rekannya di Ecole Normale Supérieure di Paris menemukan bahwa, ketika nanotube karbon berdinding banyak menjadi lebih sempit, air sebenarnya mengalir melalui mereka lebih cepat.

Para peneliti telah mencoba menjelaskan pengamatan ini menggunakan model gesekan yang lebih canggih. Gesekan elektronik mempertimbangkan cara eksitasi elektronik di permukaan padat dapat menahan gerakan. ‘Biasanya idenya adalah bahwa Anda memiliki satu partikel bermuatan yang bergerak di sebelah gas elektron, dan potensial Coulomb partikel bermuatan ini menciptakan eksitasi yang menimbulkan gesekan,’ jelas Nikita Kavokine, yang baru saja meninggalkan grup Bocquet untuk bergabung dengan Institut Flatiron di Amerika Serikat. Para peneliti, seperti ahli teori materi terkondensasi Jeffrey Sokoloff dari Northeastern University di Massachusetts, mencoba menerapkan konsep ini pada air yang mengalir. ‘Masalahnya adalah jika Anda mengambil air cair rata-rata, itu netral dan tidak ada muatan … jadi Anda perlu mempertimbangkan semua molekul air yang mengalami gerakan termal acak,’ jelas Kavokine.

Dalam karya baru dari kelompok Bocquet, Kavokine dan rekan menggambarkan fluktuasi muatan kolektif dalam air yang mengalir sebagai eksitasi terkuantisasi yang disebut ‘hidron’. Hidron ini tidak dapat menghilangkan sejumlah besar energi ke dalam graphene, para peneliti menghitung, jadi hanya gesekan klasik yang penting. Namun, ketika air mengalir melewati grafit curah, hidron secara resonan membangkitkan fluktuasi kerapatan elektron terkuantisasi yang disebut plasmon, sehingga memperlambat air. ‘Grafit memiliki plasmon permukaan yang sangat aneh yang memiliki energi dan momentum yang tepat untuk berbicara dengan hidron,’ jelas Kavokine. ‘Gesekan air tidak anomali rendah pada graphene, tetapi anomali tinggi pada grafit,’ tulis para peneliti. Dalam hal ini, gesekan kuantum bisa sekitar 10 kali lebih besar dari gesekan klasik.

Mildred Dresselhaus dan rekan menunjukkan kembali pada tahun 1997 – sebelum graphene bahkan diisolasi – bahwa nanotube karbon multi-dinding besar memiliki struktur seperti grafit, sedangkan nanotube yang lebih kecil lebih seperti lembaran konsentris graphene. Pemisahan ini, kelompok Bocquet menunjukkan, secara alami dapat menjelaskan hasil 2016 kontra-intuitif.

Para peneliti sekarang bekerja untuk memahami fisika dasar gesekan kuantum dengan lebih baik dan untuk melihat apakah itu berlaku di sistem lain. ‘Saya pikir kita akan dapat memahami lebih banyak lagi fenomena aneh yang terjadi pada antarmuka menggunakan alat teoretis ini,’ kata Kavokine. Mereka sekarang mencari untuk mengembangkan aplikasi. “Saya tidak dapat mengungkapkan sepenuhnya apa yang ada dalam pikiran kami, tetapi ini benar-benar dapat menjadi aset dalam penyaringan dan hal-hal seperti itu,” kata Bocquet.

‘Ini penjelasan yang masuk akal untuk hasil eksperimen yang penting,’ kata Sokoloff. ‘Aliran air dalam nanotube karbon sangat penting karena memiliki kemungkinan aplikasi dalam hal-hal seperti desalinasi air… [The researchers] hanya akan benar-benar memecahkan masalah jika mekanisme mereka menjelaskan eksperimen masa depan – yang sedang mereka kerjakan, dan mungkin juga kelompok lain. Tapi mereka tampaknya menjadi yang terbaik untuk melakukan eksperimen ini, jadi mereka pada dasarnya menjelaskan eksperimen mereka sendiri.’

Related Post