Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Burada suyu özel kılan şey, hidron adı verilen titreşimlerinin grafen elektronlarının plazmon adı verilen titreşimleriyle senkronize olması ve böylece grafen-su ısı transferinin rezonans olarak bilinen bir etkiyle artmasıdır."
Scientists Reveal That Water Can “Talk” to Electrons in Graphene
Araştırmacılar kuantum sürtünme teorisini doğruladı.
Su ve karbon kuantum çifti oluşturuyor: Suyun karbon yüzeyindeki akışı kuantum sürtünmesi olarak adlandırılan alışılmadık bir olgu tarafından yönetiliyor.
Su-grafen kuantum sürtünmesi. Kaynak : Lucy Reading-Ikkana/Simons Vakfı
Yakın zamanda yapılan bir araştırma, daha önce teorik araştırmalarla öngörülen bu olgunun, sıvı su ile karbon atomlarından oluşan tek katmanlı grafenin ara yüzeyinde meydana geldiğine dair deneysel kanıtlar sunuyor. Araştırma, gelişmiş ultra hızlı teknikler kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Bu sonuçlar su arıtma ve tuzdan arındırma süreçlerinde ve hatta sıvı tabanlı bilgisayarlarda uygulamalara yol açabilir.
Son 20 yıldır bilim insanları suyun karbon yüzeylerin yakınında nasıl davrandığı konusunda şaşkınlık içindeler. Geleneksel akış teorilerinden beklenenden çok daha hızlı akabilir veya kare buz gibi garip düzenlemeler oluşturabilir.
Şimdi, Mainz Max Plank Polimer Araştırma Enstitüsü (Almanya), Katalan Nanobilim ve Nanoteknoloji Enstitüsü (ICN2, İspanya) ve Manchester Üniversitesi'nden (İngiltere) araştırmacılardan oluşan uluslararası bir ekip, 22 Haziran 2023'te Nature Nanotechnology'de yayınlanan bir araştırmada, suyun karbonun elektronlarıyla doğrudan etkileşime girebileceğini bildirdi: bu akışkan dinamiğinde çok sıra dışı bir kuantum fenomeni.
Su gibi bir sıvı, rastgele hareket eden ve sürekli birbirleriyle çarpışan küçük moleküllerden oluşur. Buna karşılık bir katı, bir elektron bulutu içinde yıkanan düzgün bir şekilde düzenlenmiş atomlardan oluşur. Katı ve sıvı dünyaların yalnızca sıvı moleküllerinin katı atomlarıyla çarpışması yoluyla etkileşime girdiği varsayılır: sıvı molekülleri katının elektronlarını "görmez".
Bununla birlikte, bir yıldan biraz daha uzun bir süre önce, paradigma değiştiren teorik bir araştırma, su-karbon arayüzünde, sıvının moleküllerinin ve katının elektronlarının birbirlerini itip çekerek sıvı akışını yavaşlattığını öne sürdü: bu yeni etki kuantum sürtünmesi olarak adlandırıldı. Ancak, teorik öneri deneysel doğrulamadan yoksundu.
Mainz'daki Max Planck Enstitüsü ve New York'taki Flatiron Enstitüsü'nde araştırmacı olan çalışmanın başyazarı Dr. Nikita Kavokine, "Artık kuantum sürtünmesini iş başında görmek için lazer kullandık" diyor.
Ekip, bal peteği şeklinde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanı olan bir grafen örneği üzerinde çalıştı. Grafenin elektron bulutunu anında ısıtmak için ultra kısa kırmızı lazer darbeleri (saniyenin milyarda birinin sadece milyonda biri kadar bir süreyle) kullandılar.
Daha sonra grafen elektronlarının sıcaklığına duyarlı olan terahertz lazer darbeleri ile soğumasını izlediler. Bu tekniğe optik pompa-terahertz prob (OPTP) spektroskopisi deniyor.
Şaşırtıcı bir şekilde, grafen suya daldırıldığında elektron bulutu daha hızlı soğurken, grafeni etanole daldırmak soğuma hızında bir fark yaratmadı.
Kavokine, "Bu, su-karbon çiftinin bir şekilde özel olduğunun bir başka göstergesiydi, ancak yine de tam olarak neler olup bittiğini anlamamız gerekiyordu" diyor.
Olası bir açıklama, sıcak elektronların ısılarının bir kısmını serbest bırakmak için su moleküllerini itip çekmeleriydi: başka bir deyişle, kuantum sürtünmesi yoluyla soğuyorlardı. Araştırmacılar teoriyi araştırdılar ve gerçekten de: su-grafen kuantum sürtünmesi deneysel verileri açıklayabilir.
ICN2 (İspanya) ve TU Eindhoven'dan (Hollanda) Prof Klaas-Jan Tielrooij, "Grafenin taşıyıcı dinamiklerinin beklenmedik mekanizmalarla bizi şaşırtmaya devam ettiğini görmek büyüleyici, bu kez her yerde bulunan sudan başka moleküllerle katı-sıvı etkileşimlerini içeriyor" diyor.
Burada suyu özel kılan şey, hidron adı verilen titreşimlerinin grafen elektronlarının plazmon adı verilen titreşimleriyle senkronize olması ve böylece grafen-su ısı transferinin rezonans olarak bilinen bir etkiyle artmasıdır.
Deneyler böylece katı-sıvı kuantum sürtünmesinin temel mekanizmasını doğrulamaktadır. Bunun, nano-gözenekli membranların geçirgenlik özelliklerini ayarlamak için kuantum sürtünmesinin kullanılabileceği filtrasyon ve tuzdan arındırma süreçleri için etkileri olacaktır.
Mainz'daki Max Planck Enstitüsü'nde doktora öğrencisi ve araştırmanın ilk yazarı olan Xiaoqing Yu, "Bulgularımız sadece fizikçiler için ilginç değil, aynı zamanda katı-sıvı arayüzünde elektrokataliz ve fotokataliz için de potansiyel çıkarımlar içeriyor" diyor.
Bu keşif, nadiren el ele giden deneysel bir sistemi, bir ölçüm aracını ve teorik bir çerçeveyi bir araya getirmeye bağlıydı. Şimdi asıl zorluk, su-elektron etkileşimi üzerinde kontrol sahibi olmak.
Kavokine, "Hayalimiz kuantum sürtünmeyi isteğe bağlı olarak açıp kapatmak," diyor. "Bu şekilde daha akıllı su filtreleme süreçleri, hatta belki de akışkan tabanlı bilgisayarlar tasarlayabiliriz."
Max Planck Institute, 28 Haziran 2023, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 22.11.2023, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: Xiaoqing Yu, Alessandro Principi, Klaas-Jan Tielrooij, Mischa Bonn ve Nikita Kavokine tarafından "Plazmon-hidron rezonansı ile geliştirilmiş grafende elektron soğutması", 22 Haziran 2023, Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.