p (Phys.org) —Havia grandes esperanças de usar nanotubos de carbono, particularmente para transporte ultra-rápido de água para dessalinizar a água do mar. Contudo, uma simulação agora revela que essas taxas de transporte ultrarrápidas podem não ter sido devidamente aterradas, afinal. Pesquisadores que trabalham com experimentos e modelos de computador têm divergências sobre as capacidades e governar a física do material desde então. p Os nanotubos de carbono (CNTs) têm despertado muito interesse no mundo da ciência desde sua descoberta em 1991. Afinal, o material tem propriedades incomuns que o tornam ideal para várias aplicações. Por exemplo, Os CNTs são usados ​​em engenharia elétrica como dicas para poderosos microscópios de tunelamento de varredura, como fibras de reforço em materiais sintéticos ou para componentes específicos de aeronaves. Os CNTs despertaram a imaginação de alguns de que cordas feitas desses nanotubos podem um dia transportar cargas da Terra para o espaço.

p O uso de membranas CNT como meio de filtro é talvez mais realista. Experimentos e simulações indicam que as moléculas de água fluem através de tais membranas extremamente rapidamente, o que os torna interessantes como filtros para usinas de dessalinização de água do mar de baixo custo:as moléculas de água passam pelos poros ultra-estreitos, íons de sal não. Este potencial para membranas CNT, portanto, está sendo pesquisado intensamente.

p Limite identificado teoricamente muito excedido

p O transporte de água por meio de tubulações é baseado em uma fórmula bem estabelecida de dinâmica de fluidos. A fórmula descreve a taxa de fluxo, que é calculado usando o comprimento e o diâmetro do tubo e a diferença de pressão entre a entrada e a saída do fluido nas respectivas extremidades do tubo. Os experimentos produziram taxas de transporte de água para CNTs que são supostamente 100, 000 vezes maior do que o limite teoricamente calculado em macroescala que se aplicaria ao transporte de água através de tais nanotubos. A escala é fundamental para processos de transporte ultrarrápidos. Em uma escala nano, tem sido argumentado que as moléculas de água literalmente voam através dos nanotubos de carbono sem tocar nas paredes hidrofóbicas, daí seu atrito reduzido e taxas de transporte aprimoradas. E quanto mais restritos os CNTs, quanto mais altas forem as taxas de transporte de água.

p Contudo, a história dos CNTs está repleta de controvérsias. Embora alguns pesquisadores experimentais tenham realmente observado uma taxa de fluxo de 100, 000 vezes maior e publicou isso em Natureza , outros mediram fluxos de água que foram aumentados em apenas 100 a 1000 vezes. Nem as simulações ajudaram a responder à pergunta se as membranas CNT realmente abrigam tanto potencial. Modelos de computador anteriores consideram poucas moléculas de água e CNTs que são muito curtos em comparação com os CNTs usados ​​experimentalmente. Simulações que relataram 100, O aumento de 000 vezes só chegou a esse valor por meio de uma extrapolação.

p Nova simulação lança dúvidas sobre transporte ultrarrápido

p Uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Petros Koumoutsakos agora alimentou este debate científico com a maior e mais detalhada simulação do fluxo de água através dos nanotubos de carbono até hoje. O modelo de computador simula CNTs do mesmo comprimento daqueles usados ​​em experimentos. Um artigo acaba de ser publicado na revista Nano Letras .

p Interessantemente, as simulações foram capazes de confirmar apenas um aumento de 200 vezes do fluxo de água e não confirmam os 100, Aumento de 000 vezes que foi reivindicado por alguns experimentalistas. Para Petros Koumoutsakos, essas taxas ultrarrápidas relatadas são um mistério. "Nossas simulações sugerem que tais taxas de fluxo altas não são possíveis para água pura e CNTs, "diz o professor da ETH-Zurique. Koumoutsakos foi capaz de confirmar que um comprimento de CNT aumentado aumenta o fluxo de água, embora apenas até um certo comprimento. Depois de 500 nm, as taxas de transporte permanecem praticamente inalteradas. Ele também conseguiu simular e explicar teoricamente os obstáculos à entrada de água e saída de um tubo que reduz a vazão. No entanto, isso afeta apenas CNTs curtos, mal tendo um impacto sobre os longos.

p Milhões de moléculas virtuais passam pelos CNTs

p O modelo computacional é baseado em nanotubos de carbono puro com um micrômetro de comprimento e cerca de dois nanômetros de diâmetro, por meio do qual os cientistas da computação canalizaram milhões de moléculas virtuais de água. As simulações na Cátedra de Ciência da Computação não têm precedentes em magnitude e foram viáveis ​​graças ao computador de grande escala do Centro Suíço de Computação Científica em Lugano.

p O cientista computacional não consegue entender por que a taxa de fluxo de sua simulação difere tanto dos valores medidos em certos experimentos. "Nossos resultados até coincidem com os resultados de testes experimentais mais recentes, "enfatiza Koumoutsakos. Ele suspeita que modificações químicas dos CNTs ou outros fenômenos não observados podem aumentar o fluxo. No entanto, a simulação não leva em conta essas impurezas, ele diz. Consequentemente, Koumoutsakos prevê o desenvolvimento de modelos de computador que também levam em consideração e quantificam essas incertezas.

p O professor da ETH-Zurique espera que seu modelo computacional incentive outros pesquisadores a revisitar seus experimentos e a colaborar para quantificar incertezas em experimentos e simulações. Em sua opinião, os dados obtidos em experimentos terão que ser respaldados por simulações antes de serem publicados no futuro.

p Os experimentos geram uma ampla gama de dados

p Hyung Gyu Park, professor assistente de tecnologia de energia na ETH Zurique, é um dos pesquisadores que determinou as vazões experimentalmente. Ele conduziu experimentos com CNTs que Koumoutsakos agora questiona parcialmente e publicou os resultados no jornal Ciência em 2006. Park observou taxas de transporte que eram de 500 a 8, 500 vezes superior às previsões teóricas. Na melhor das hipóteses, os valores que obteve por meio de experimentos e da simulação desviam 2,5 vezes. "Portanto, eles combinam muito bem, " ele diz.

p Park reconhece que Koumoutsakos e sua equipe realizaram uma excelente simulação da dinâmica molecular. Os cientistas da computação pesquisaram exaustivamente a física dos fluidos necessária e, portanto, foram capazes de descrever bem o fluxo de água em ambientes de grafite em escala nanométrica. Contudo, o pesquisador coreano aponta que esse tipo de simulação tem limitações metodológicas:"Esta simulação pode muito bem nos levar um passo mais perto de condições experimentais reais, mas eles não refletem totalmente a realidade ainda. "

p Park diz que a abordagem do cientista da computação está correta em princípio. Contudo, os pré-requisitos nos quais as simulações são baseadas diferem de seus experimentos. Por exemplo, ele usou nanotubos de carbono que tinham entre um e dois nanômetros de diâmetro. Na simulação, Contudo, o diâmetro era de 2,03 nanômetros. Embora a diferença possa parecer pequena e insignificante, nesta escala o transporte de água muda muito, como Park observou experimentalmente. A simulação também levou em consideração apenas um diâmetro de tubo; seus experimentos, Contudo, levou vários.

p Discussão frutífera entre departamentos

p Apesar de suas críticas, Park vê a simulação desenvolvida por seu colega de departamento como uma contribuição fundamental, do qual a pesquisa experimental só pode se beneficiar. Ele considera isso um avanço na modelagem de fenômenos de fluxo em escala nanométrica e sob as condições que prevalecem em ambientes de grafite. "Vou verificar este modelo e meus resultados cuidadosamente com membranas de nanotubos no futuro, "ele enfatiza. Afinal, ele admite, é muito difícil avaliar experimentalmente esses processos de transporte em escala nanométrica. Além disso, é um desafio sintetizar um trilhão (10 ¹² ) CNTs com um diâmetro constante para a construção de um dispositivo de membrana centímetro, um feito que o grupo de pesquisa de Park realizou recentemente. Atualmente, eles estão trabalhando na produção de membranas de CNT em maior escala.

p Apesar de seu debate científico, ambos os cientistas consideram um privilégio raro os pesquisadores trabalharem em experimentos e simulações sobre o assunto na mesma instituição. "Estou convencido de que nossa competição saudável e colaboração entre cientistas de ambos os campos manterão este campo de pesquisa empolgante em boa posição, "diz Park.