القنوات النانوية: النفط يتدفق بشكل أفضل من الماء

كيف تتصرف السوائل في الشعيرات الدموية الصغيرة

الماء في الارتفاع: توضح هذه لقطة المحاكاة كيف تمتص ذرات السائل (الكرات الزرقاء) على الحائط (الأحمر) من قبل القوات الشعرية. يظهر العدسة المكبرة السطح المنحني للسائل. توضح الأسهم الحمراء مدى سرعة الجسيمات وأين تتجه. بالقرب من الجدار ، تستمر سرعة ومتوسط ​​كثافة الجزيئات في الانخفاض. © MPI للفيزياء / الموثق
قراءة بصوت عال

إذا كان مختبر الكيمياء سيوضع على شريحة صغيرة في المستقبل ، فيجب أن تجري التجارب في أنابيب بحجم نانومتر. لكن القوانين الفيزيائية للعالم الكلي والجزئي صالحة جزئيًا فقط على مقياس النانو. وقد أظهر الباحثون الآن هذا مرة أخرى في محاكاة الكمبيوتر. لقد حددوا القوى الشعرية التي تعمل في الأنابيب النانوية التي تمتص السوائل. بعد ذلك ، تنزلق مادة لزجة مثل زيت السيليكون بشكل أفضل من المتوقع من خلال القنوات النانوية ، بينما لا تظهر السوائل الشبيهة بالماء مثل هذا التأثير. وفقًا للباحثين في العدد الحالي من مجلة Physical Review Letters ، لا توجد مثل هذه التأثيرات في micropapillaries ، والتي تكون أبعد بعدة مرات.

تعتبر قوى الشعيرات حيوية للأشجار - فهي تساعد في رفع المياه من الجذور إلى آخر طرف للنبات. يعتمد ارتفاع ومدى سرعة تدفق المياه صعوداً من خلال شعري ضد الجاذبية بشكل عام على قطر الأنبوب. يمتص الشعر الشعري بقطر واحد ميكرون ، وهو الجزء المائة من شعر الإنسان ، الماء عند ضغط يبلغ 2.8 بار ، مما يسمح له بارتفاع يصل إلى 28 مترا. يتم استبدال المضخة بتفاعل القوى المؤثرة من جهة على سطح السائل ومن ناحية أخرى على الواجهة بين الجدار السائل والجدار الأنبوبي.

قانون لوكاس واشبورن يتكيف مع عالم النانو

{} 1R

الآن ، اكتشف فريق بحثي بقيادة كيرت بيندر ، العضو العلمي الخارجي في معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات ، مع زملائه من جامعة ماينز ، إلى أي مدى هذه المبادئ صالحة أيضًا في التوابع النانوية. محاكاة العلماء على الكمبيوتر كيف تخترق السوائل في مثل هذا الأنبوب. لقد اضطروا إلى تكييف قانون جسدي من الشعرية ، قانون لوكاس-واشبرن ، قليلاً فقط لفيزياء العالم النانوي من خلال توسيع الصيغة.

يقول بيندر: "كانت هناك ادعاءات في الأدبيات بأن هناك قوانين مختلفة تمامًا لتدفق السوائل في العالم النانوي عنها في العالم الكلي. يمكننا الآن أن ندحض ذلك من خلال حساباتنا وبالتالي لدينا قدر ضئيل من الوضوح في السابق ، على عكس ذلك جزئيًا ، النتائج التجريبية والنظرية حول هذا الموضوع. "عرض

في نموذج الكمبيوتر لعلماء ماينز ، تخترق 25000 ذرة من سائلين مختلفين أنبوبًا يبلغ قطره عشرة نانومترات. صمم الفيزيائيون خصائص سائل افتراضي على الماء ، والذي يتدفق بشكل جيد للغاية في micropapillaries مع سطح جذب المياه. والآخر يتكون من جزيئات كبيرة السلسلة وتشبه زيت السيليكون في خواصها. حسب الكمبيوتر مدى سرعة تدفق السوائل في كل شعري. وفقًا لذلك ، تزيد السوائل الموجودة في الشعيرات النانوية بشكل أبطأ بشكل عام مقارنة بالأنابيب المفتوحة.

جدار الأنبوب يبطئ التدفق

يقول بيندر: "من خلال حساباتنا ، قمنا أيضًا بفحص ما إذا كانت الجسيمات لا تزال تتحرك بالقرب من الجدار" ، لذلك أردنا معرفة مدى تدفق السوائل المختلفة في هذه الأنابيب الدقيقة. "وهي سرعة الجسيمات نحو الجدار تتناقص بشكل طفيف ولا تساوي صفراً على الجدار ، تتدفق المادة جيدًا عبر الأنابيب النانوية. ومع ذلك ، إذا كانت الذرات الموجودة على الحائط لا تزال تقريبًا ، فإن السائل لا يتدفق إلا ببطء من خلال الخلايا النانوية. الجزيئات داخل العمود السائل لا تزال تتحرك. بسبب القطر الصغير للأنبوب النانوي ، يسود هنا تأثير الكبح على الجدار.

لاحظ علماء الفيزياء في ماينز هذا التأثير في محاكاةهم بالسائل الشبيه بالمياه. لذلك يرتفع ببطء من خلال الأنابيب النانوية مثل مادة zoehe ، لكن جزيئاته تنزلق فوق الحائط. يقول بيندر: "لم يتوقع أحد ذلك". لقد أعطوا الأنابيب النانوية جدارًا يجذب المياه ، حيث يتدفق الماء على الأقل على نطاق واسع.

رقائق تصل إلى حدودها

يمكن أن يفسر Binder فقط سبب تصرف المادتين بشكل مختلف في الأنابيب النانوية عن اعتاد علماء الفيزياء من العالم الكلي على: "إن الجزيئات الصغيرة من السوائل الشبيهة بالماء تميل القوى الحسية إلى الشعور بالقوى الجذابة للجدار الشعري والتمسك به. ونظرًا لأن عمود المائع ضيق جدًا ، فإن تأثير الكبح هذا يسود في جميع أنحاء الشعيرات الدموية. ربما تكون الجزيئات الكبيرة أقل حساسية لهذه القوى وبالتالي تتحرك بحرية أكبر. "

تساعد نتائج الباحثين على تغيير خصائص الشعيرات الدموية والسوائل ، وقبل كل شيء ، حجم الشعيرات الدموية بحيث تتدفق السوائل بشكل أفضل على نطاق صغير. "لكنها تبدو رقيقة للغاية والشعيرات الدموية الصغيرة لا تفعل الكثير عندما تتدفق جميع السوائل ببطء. يقول بيندر: "من الممكن أن يكون لتصغير المعمل على الرقاقة قيود".

(MPG ، 15.08.2007 - DLO)