Por 15 anos, os cientistas ficaram perplexos com a maneira misteriosa como a água flui através das minúsculas passagens de nanotubos de carbono – tubos com paredes que podem ter apenas um átomo de espessura. As correntes confundiram todas as teorias da dinâmica dos fluidos; paradoxalmente, o fluido passa mais facilmente por nanotubos mais estreitos e, em todos os nanotubos, ele se move quase sem atrito. O atrito que existe também desafia a explicação.
Em um mashup sem precedentes de dinâmica de fluidos e mecânica quântica, pesquisadores relatam em um novo estudo teórico publicado em 2 de fevereiro na Nature que eles finalmente têm uma resposta:'atrito quântico'.

A explicação proposta é a primeira indicação de efeitos quânticos na fronteira de um sólido e um líquido, diz a principal autora do estudo Nikita Kavokine, pesquisadora do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron em Nova York.

"O sistema água-carbono tem intrigado os cientistas há mais de uma década, e estamos propondo a primeira explicação razoável para o que acontece", diz Kavokine. "Este trabalho mostra uma conexão entre a hidrodinâmica e as propriedades quânticas da matéria que não eram óbvias até agora."

Em sua explicação, Kavokine e seus colegas propõem que as moléculas de água que passam interagem com os elétrons nas paredes dos nanotubos, de modo que as moléculas e os elétrons empurram e puxam uns aos outros e diminuem o fluxo.

Este efeito é mais forte para variantes de nanotubos construídas a partir de múltiplas camadas de folhas de carbono de um átomo de espessura. Isso porque os elétrons podem pular de camada em camada. Para nanotubos mais estreitos, as restrições geométricas causam desalinhamento entre as camadas. Os pesquisadores propõem que essa incompatibilidade de escala atômica dificulta os saltos de elétrons, reduzindo o atrito e causando fluxos mais rápidos através de tubos mais apertados.

As descobertas teóricas podem ter implicações significativas para as aplicações propostas de nanotubos de carbono, como filtrar sal da água do mar ou gerar energia usando a diferença de salinidade entre água salgada e água doce. Menos atrito significa que menos energia é necessária para forçar a água através dos tubos.

"Nosso trabalho descreve maneiras radicalmente novas de controlar o fluxo de fluido na escala nanométrica usando materiais avançados", diz Lydéric Bocquet, diretor de pesquisa do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) em Paris. Junto com Kavokine, ele é coautor do novo estudo com Marie-Laure Bocquet, que também é diretora de pesquisa do CNRS.

Os pesquisadores consideraram nanotubos com diâmetros que variam de 20 a 100 nanômetros. Para comparação, uma molécula de água tem 0,3 nanômetros de diâmetro. Os tubos podem ser tão pequenos graças ao seu material de construção resistente, o grafeno:folhas de átomos de carbono com a espessura de um único átomo em um padrão de favo de mel. Quando você empilha várias camadas de grafeno, obtém grafite (como o tipo encontrado na mina de lápis).

Desde 2005, os cientistas mediram a rapidez e facilidade com que a água se move através dos nanotubos de carbono. Por serem tão pequenos, os nanotubos dariam canudos terríveis:o líquido flui a apenas bilionésimos de litro por segundo.

Mas o líquido pelo menos se move com muito pouca resistência porque as paredes de grafeno dos tubos são totalmente lisas. Esta falta de rugosidade da superfície reduz o arrasto nas moléculas de água que passam. O grafeno também não captura moléculas em sua superfície como muitos outros materiais fazem. Essas moléculas capturadas também podem retardar o fluxo.

Medições em estudos iniciais sugeriram que a água flui quase sem atrito através dos nanotubos. Em 2016, no entanto, um estudo experimental na Natureza co-autoria de Lydéric Bocquet descobriu que a quantidade de atrito depende do raio do nanotubo. Confusamente, o efeito de atrito aumentou para nanotubos maiores. Isso não fazia sentido, já que os tubos maiores deveriam ser tão lisos quanto os menores. Essas esquisitices levaram ao debate dentro do campo e tornaram-se lacunas de conhecimento chave no estudo de fluxos em nanoescala.

Como as teorias existentes de dinâmica dos fluidos falharam, Kavokine e seus colegas se aprofundaram nas propriedades das paredes de grafeno. Tal abordagem é incomum para estudar fluidos, diz Kavokine. "Na hidrodinâmica, a parede é apenas uma parede, e você não se importa com o que a parede é feita. Percebemos que em nanoescala, ela realmente se torna muito importante." Em particular, Kavokine percebeu que os efeitos quânticos na interface grafeno-água poderiam produzir atrito, permitindo que a água corrente dissipasse energia nos elétrons fluindo no grafeno.

Surpreendentemente, a pandemia do COVID-19 ajudou na pesquisa. "Houve uma curva de aprendizagem teórica íngreme para resolver este problema", diz Kavokine. “Eu tive que ler muitos livros fundamentais e aprender coisas novas, e ficar preso por vários meses realmente ajudou nisso”.

Um fator crucial foi que alguns dos elétrons do grafeno podem se mover livremente pelo material. Além disso, esses elétrons podem interagir eletromagneticamente com moléculas de água. Isso porque cada molécula de água tem uma extremidade levemente carregada positivamente e uma extremidade levemente carregada negativamente devido ao átomo de oxigênio puxar mais fortemente a nuvem de elétrons do que os átomos de hidrogênio.

Na explicação dos pesquisadores, os elétrons na parede do grafeno se movem junto com as moléculas de água que passam. Mas os elétrons tendem a ficar um pouco para trás, retardando as moléculas. Este efeito é conhecido como fricção eletrônica ou quântica e só foi considerado anteriormente como um fator nas interações entre dois sólidos ou uma única partícula e um sólido.

A situação é mais complexa, porém, quando se trata de um líquido, onde muitas moléculas interagem entre si. Os elétrons e as moléculas de água balançam devido à sua energia térmica. Se acontecerem de balançar na mesma frequência, ocorre um efeito chamado ressonância que aumenta a força de atrito quântico. Este efeito de ressonância é maior para nanotubos com camadas bem alinhadas, uma vez que o movimento dos elétrons entre as camadas está em sincronia com o das moléculas de água.

Essa interação recém-descoberta entre líquidos e sólidos passou despercebida até agora por dois motivos principais, diz Kavokine. Em primeiro lugar, o atrito resultante é tão pequeno que seria desprezível para materiais com superfícies mais ásperas. Em segundo lugar, o efeito depende de os elétrons levarem algum tempo para se ajustar às moléculas de água em movimento. As simulações moleculares não conseguem detectar o atrito porque usam a aproximação de Born-Oppenheimer, que assume que os elétrons se adaptam instantaneamente ao movimento dos átomos próximos.

O novo estudo é teórico, então os pesquisadores dizem que são necessários experimentos para confirmar sua proposta e explorar algumas de suas consequências contra-intuitivas. Eles também apontam que há a necessidade de simulações aprimoradas que não dependam da aproximação de Born-Oppenheimer. "Espero que isso mude nossa maneira de lidar com esses sistemas e traga novas ferramentas teóricas para outros problemas", diz Kavokine. + Explorar mais

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