11.07.2023

Quantenreibung in Graphen

Grenzfläche zwischen flüssigem Wasser und Graphen zeigt Phänomen der Quantenreibung.

Wasser und Kohlenstoff bilden ein Quantenpaar: Die Strömung von Wasser auf einer Kohlenstoff­oberfläche wird durch ein ungewöhnliches Phänomen bestimmt, das als Quanten­reibung bezeichnet wird. Eine neue Arbeit zeigt dieses in einer früheren theoretischen Studie vorhergesagte Phänomen experimentell an der Grenzfläche zwischen flüssigem Wasser und Graphen. Zur Durchführung dieser Studie wurden fortschrittliche ultra­schnelle Laser-Techniken eingesetzt. Diese Ergebnisse könnten zu Anwendungen in der Wasser­reinigung und Entsalzung führen – und vielleicht sogar zu Computern auf Flüssigkeits­basis.

 

Abb.: Wasser-Graphen-Quanten­reibung (Bild: L. Reading-Ikkana / Simons...
Abb.: Wasser-Graphen-Quanten­reibung (Bild: L. Reading-Ikkana / Simons Foundation)

Seit zwanzig Jahren rätseln Wissenschaftler darüber, wie sich Wasser in der Nähe von Kohlenstoff­oberflächen verhält. Es kann viel schneller fließen, als nach herkömmlichen Strömungs­theorien zu erwarten wäre, oder seltsame Anordnungen wie quadratisches Eis bilden. Nun berichtet ein internationales Team von Forschern des Max-Planck-Instituts für Polymer­forschung in Mainz, des katalanischen Instituts für Nano­wissenschaften und Nano­technologie (ICN2), Spanien, und der Universität Manchester, England, dass Wasser direkt mit den Elektronen des Kohlenstoffs wechselwirken kann: ein Quantenphänomen, das in der Flüssigkeits­dynamik sehr ungewöhnlich ist.

Eine Flüssigkeit besteht aus kleinen Molekülen, die sich zufällig bewegen und ständig miteinander kollidieren. Ein Festkörper hingegen besteht aus regelmäßig angeordneten Atomen, die in einer Elektronenwolke „baden“. Man geht davon aus, dass die feste und die flüssige Welt nur durch Zusammenstöße der Moleküle der Flüssigkeit mit den Atomen des Festkörpers interagieren: Die Flüssigkeits­moleküle „sehen“ die Elektronen des Festkörpers nicht. Dennoch wurde vor etwas mehr als einem Jahr in einer paradigmen­verändernden theoretischen Studie vorgeschlagen, dass an der Grenzfläche zwischen Wasser und Kohlenstoff die Moleküle der Flüssigkeit und die Elektronen des Festkörpers sich anziehen oder sich gegenseitig abstoßen. Dadurch wird der Flüssigkeits­strom verlangsamt: Dieser neue Effekt wird Quantenreibung genannt. Der theoretische Vorschlag konnte in der Studie jedoch noch nicht experimentell überprüft werden.

„Wir haben nun Laser eingesetzt, um die Quantenreibung in Aktion zu sehen“, erklärt der Hauptautor der Studie, Nikita Kavokine, ein Forscher am Max-Planck-Institut in Mainz und am Flatiron Institute in New York. Das Team untersuchte eine Graphen-Probe. In den Experimenten verwendeten die Forscher ultrakurze rote Femtosekunden-Laserpulse, um die Elektronen­wolke des Graphens augenblicklich zu erhitzen. Anschließend überwachten sie die Abkühlung mit Terahertz-Laserpulsen, die empfindlich auf die Temperatur der Graphen­elektronen reagieren. Diese Technik wird optische Pump-Terahertz-Probe-Spektroskopie genannt.

Zur Überraschung der Wissenschaftler kühlte die Elektronenwolke schneller ab, wenn das Graphen in Wasser getaucht war, während das Eintauchen des Graphen in Ethanol keinen Unterschied in der Abkühlungsrate machte. „Dies war ein weiterer Hinweis darauf, dass das Paar aus Wasser und Kohlenstoff irgendwie besonders ist, aber wir mussten noch verstehen, was genau vor sich geht“, sagt Kavokine. Eine mögliche Erklärung war, dass die heißen Elektronen auf die Wassermoleküle anziehend und abstoßend wirken und hierdurch einen Teil ihrer Wärme abzugeben: mit anderen Worten, sie kühlen durch Quantenreibung. Daraufhin beschäftigten sich die Forscher mit dieser Theorie und tatsächlich: Die Quanten­reibung zwischen Wasser und Graphen könnte die experimentellen Daten erklären.

„Es ist faszinierend zu sehen, dass die Ladungs­trägerdynamik von Graphen uns immer wieder mit unerwarteten Mechanismen überrascht. Diesmal geht es um Fest-Flüssig-Wechsel­wirkungen mit Molekülen, die keine anderen sind als das allgegenwärtige Wasser“, kommentiert Klaas-Jan Tielrooij vom ICN2 und der TU Eindhoven. Das Besondere an Wasser ist, dass seine Schwingungen, die Hydronen, mit den Schwingungen der Graphen-Elektronen, den Plasmonen, synchron sind. So wird die Wärme­übertragung zwischen Graphen und Wasser durch Resonanz verstärkt.

Die Experimente bestätigen somit den grundlegenden Mechanismus der Fest-Flüssig-Quanten­reibung. Dies wird Auswirkungen auf Filtrations- und Entsalzungs­prozesse haben, bei denen die Quanten­reibung genutzt werden könnte, um die Permeations­eigenschaften der nanoporösen Membranen einzustellen. „Unsere Ergebnisse sind nicht nur für Physiker interessant, sondern haben auch Auswirkungen auf die Elektro­katalyse und die Photokatalyse an der Fest-Flüssig-Grenzfläche“, sagt Xiaoqing Yu, Doktorandin am Max-Planck-Institut in Mainz und Erstautorin der Arbeit.

Die Entdeckung ist darauf zurückzuführen, dass ein experimentelles System, ein Messinstrument und ein theoretischer Rahmen zusammen­gebracht wurden, die nur selten Hand in Hand gehen. Die größte Herausforderung besteht nun darin, die Wechselwirkung zwischen Wasser und Elektronen zu kontrollieren. „Unser Traum ist es, die Quanten­reibung nach Bedarf ein- und auszuschalten“, sagt Kavokine. „Auf diese Weise könnten wir intelligentere Wasser­filtrations­prozesse oder vielleicht sogar flüssigkeits­basierte Computer entwickeln.“

MPIP / DE

 

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