Теплообмен и трение на границе твердое тело–жидкость. 
а, Схема исследуемой системы: граница раздела воды и листа графена. На картинке подчеркивается электронное облако и его волнообразное плазмонное возбуждение. 
b — процессы передачи импульса на границе раздела твердое тело—жидкость. Текущая жидкость (профиль течения показан тонкими синими стрелками) может не только передавать импульс кристаллической решетке (возбуждая фононные колебания) посредством классического гидродинамического трения, но и непосредственно электронам посредством квантового трения. 
c – процессы переноса энергии (ЭП) на границе раздела твердое тело–жидкость. В обычно предполагаемом «классическом» пути горячие электроны сначала передают энергию фононам, которые передают энергию жидкости. Альтернативный «квантовый» путь состоит в том, что электроны передают энергию непосредственно жидкости через кулоновское взаимодействие.
Кредит:Природные нанотехнологии (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3

Последние 20 лет ученые были озадачены тем, как вода ведет себя вблизи углеродных поверхностей. Он может течь намного быстрее, чем можно было бы ожидать от традиционных теорий течения, или образовывать странные структуры, такие как квадратный лед. Международная группа исследователей из Института исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце (Германия), Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2, Испания) и Манчестерского университета (Англия) сообщает об исследовании, опубликованном в журнале Nature. Nanotechnology 22 июня 2023 года, что вода может напрямую взаимодействовать с электронами углерода — квантовое явление, очень необычное для гидродинамики.

Жидкость, например вода, состоит из маленьких молекул , которые беспорядочно движутся и постоянно сталкиваются друг с другом. Твердое тело, напротив, состоит из аккуратно расположенных атомов, купающихся в облаке электронов. Предполагается, что твердый и жидкий миры взаимодействуют только посредством столкновений молекул жидкости с атомами твердого тела — молекулы жидкости не «видят» электронов твердого тела. Тем не менее, чуть более года назад теоретическое исследование, меняющее парадигму, показало, что на границе раздела вода-углерод молекулы жидкости и электроны твердого тела толкают и притягивают друг друга, замедляя поток жидкости: этот новый эффект был назван квантовым трением. . Однако теоретическое предложение не имело экспериментальной проверки.

«Теперь мы использовали лазеры, чтобы увидеть квантовое трение в действии», — объясняет ведущий автор исследования доктор Никита Кавокин, исследователь из Института Макса Планка в Майнце и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Команда изучила образец графена — одиночный монослой атомов углерода, расположенных в виде сот. Они использовали ультракороткие красные лазерные импульсы (длительностью всего одна миллионная миллиардной доли секунды), чтобы мгновенно нагреть электронное облако графена. Затем они следили за его охлаждением с помощью импульсов терагерцового лазера, которые чувствительны к температуре электронов графена. Этот метод называется спектроскопией с оптическим зондом накачки и терагерцовым зондом (OPTP).

К их удивлению, электронное облако охлаждалось быстрее, когда графен был погружен в воду, в то время как погружение графена в этанол не влияло на скорость охлаждения. «Это был еще один признак того, что пара вода-углерод в чем-то особенная, но нам все еще нужно было понять, что именно происходит», — говорит Кавокин. Возможное объяснение заключалось в том, что горячие электроны толкают и притягивают молекулы воды, выделяя часть их тепла; другими словами, они охлаждаются за счет квантового трения. Исследователи углубились в теорию, и действительно, квантовое трение вода-графен могло бы объяснить экспериментальные данные.

«Удивительно видеть, что динамика переноса графена продолжает удивлять нас неожиданными механизмами, на этот раз связанными с взаимодействием твердой и жидкой фаз с молекулами не чем иным, как вездесущей водой», — комментирует профессор Клаас-Ян Тилройдж из ICN2 (Испания) и TU Eindhoven ( Нидерланды). Что делает воду особенной, так это то, что ее колебания, называемые гидронами, синхронизированы с колебаниями электронов графена, называемых плазмонами, так что теплопередача между графеном и водой усиливается благодаря эффекту, известному как резонанс.

Таким образом, эксперименты подтверждают основной механизм квантового трения между твердым телом и жидкостью. Это будет иметь значение для процессов фильтрации и опреснения, в которых можно использовать квантовое трение для настройки свойств проницаемости нанопористых мембран. «Наши результаты интересны не только физикам, но и имеют потенциальное значение для электрокатализа и фотокатализа на границе раздела твердой и жидкой фаз», — говорит Сяоцин Ю, доктор философии, студент Института Макса Планка в Майнце и первый автор работы.

Открытие сводилось к объединению экспериментальной системы, инструмента измерения и теоретической основы, которые редко идут рука об руку. Ключевая задача сейчас состоит в том, чтобы получить контроль над взаимодействием воды с электронами. «Наша мечта — включать и выключать квантовое трение по требованию», — говорит Кавокин. «Таким образом, мы могли бы разработать более интеллектуальные процессы фильтрации воды или, возможно, даже компьютеры на основе жидкости».