Gibt es die Physik nicht mehr? Chinesische Wissenschaftler entdecken erstmals „reibungsloses“ Eis

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Haben wir uns beim Anschauen von Eislaufwettbewerben schon einmal gefragt, warum die Eiskunstläufer so schnell über das Eis fliegen können? Tatsächlich hängt dies eng mit den physikalischen Eigenschaften des Eises und Reibungsänderungen zusammen.

Wenn sich das Gewicht eines Schlittschuhläufers auf der schmalen Kufe des Schlittschuhs konzentriert, führt der dabei entstehende enorme Druck dazu, dass das Eis lokal schmilzt. Das feste Eis verwandelt sich beim Kontakt mit dem Schlittschuh teilweise in flüssiges Wasser und bildet einen dünnen Wasserfilm. Dieser Wasserfilm fungiert als Schmiermittel und verringert die Reibung zwischen den Schlittschuhen und der Eisoberfläche erheblich, sodass die Schlittschuhläufer sanft gleiten können.

Teilweises Schmelzen des Eises verringert die Reibung beim Schlittschuhlaufen

(Bildquelle: KI generiert)

Obwohl die Reibung beim Skaten gering ist, ist sie dennoch vorhanden. Wenn die Bewegung unterbrochen wird, bleibt der Skater irgendwann stehen. Gibt es also eine Art „reibungsloses“ Eis?

Reibung des Wassers in der mikroskopischen Welt

Beginnen wir mit Wasser. In der makroskopischen Welt findet man möglicherweise kein „reibungsloses“ Wasser, doch anders als beim Wassertransport in der makroskopischen Welt treten in der mikroskopischen Welt, wenn die Größe des Wasserkanals nur wenige Nanometer oder sogar Subnanometer beträgt, viele interessante Phänomene auf, wie beispielsweise der „Superschmiereffekt“.

Der Unterschied zwischen Reibung in der Makrowelt und der Mikrowelt

(Bildquelle: KI generiert)

In Nanokanälen wird die Reibung beim Fließen von Wasser erheblich reduziert, wodurch ein Phänomen auftritt, das dem „superschmierenden Gleiten“ ähnelt. Dies bedeutet, dass das Wasser mit sehr hoher Geschwindigkeit durch diese engen Kanäle fließen kann und nur sehr wenig Kraft zum Vortrieb erforderlich ist. Besonders deutlich ist dieses Phänomen bei Kohlenstoffnanoröhren und anderen Nanostrukturen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Wassertransporteigenschaften stark variieren, wenn zur Herstellung von Nanokanälen unterschiedliche Materialien verwendet werden. Wenn beispielsweise Graphen und hexagonales Bornitrid mit ähnlichen Strukturen zur Herstellung von Nanokanälen verwendet werden, ist die Wasserdurchlässigkeit in Graphenkanälen 10-100 Mal höher als die in Bornitrid. Wäre die Reibung im Graphenkanal ein Prozent der Reibung in Bornitrid? Theoretischen Vorhersagen zufolge unterscheidet sich die Reibung zwischen den beiden Systemen nur um das 3- bis 5-fache. Entspricht die Realität tatsächlich den Vorhersagen der Theorie?

Wie erreicht Wasser eine Superschmierfähigkeit?

Am 14. Juni 2024 veröffentlichte das Magazin Science die Forschungsergebnisse eines Forschungsteams bestehend aus Professor Jiang Ying und Akademiemitglied Wang Enge vom Zentrum für Quantenmaterialwissenschaft der Fakultät für Physik der Peking-Universität. Sie nutzten das im Inland entwickelte Rasterkraftmikroskop qPlus, um das Superschmierverhalten von zweidimensionalem Eis auf der Graphenoberfläche zu entdecken und so den Ursprung der ultraschnellen Wassertransporteigenschaften unter niedrigdimensionalen, begrenzten Bedingungen aufzuklären.

Zweidimensionale Eisstrukturen auf Graphen- und Bornitridoberflächen

(Bildquelle: Referenz 1)

Was ist zweidimensionales Eis? Was ist Supraschmierung? Was ist eine niedrigdimensionale Einschränkung? Wir erklären sie Ihnen einzeln.

„Niedrigdimensionale Beschränkung“ bedeutet, dass Wassermoleküle durch geometrische Strukturen im Nanomaßstab oder in kleineren Dimensionen (z. B. zwei oder einer Dimension) eingeschränkt werden. Diese Eingrenzung erfolgt normalerweise auf der Oberfläche extrem dünner Graphenmaterialien (zweidimensional) oder in sehr engen Nanokanälen (eindimensional). Aufgrund der Beschränkungen der geometrischen Struktur ist die Bewegung der Wassermoleküle auf bestimmte Dimensionen und Richtungen beschränkt. Sie können sich nicht frei bewegen wie im dreidimensionalen Raum und Wasser weist oft eine eisähnliche Struktur auf.

Zweidimensionales Eis bezeichnet die geordnete Struktur, die von Wassermolekülen auf einer zweidimensionalen Ebene im Nanomaßstab gebildet wird. Aufgrund der Enge von Nanokanälen oder planaren Materialien wie Graphen können sich Wassermoleküle nicht frei bewegen, wie sie es im dreidimensionalen Raum tun würden, sondern sind in einem wabenförmigen hexagonalen Gitter angeordnet, ähnlich der Struktur von Eis. Vereinfacht ausgedrückt kann man sich zweidimensionales Eis als ein dünnes und weiches „Eistuch“ vorstellen.

Unter Supraschmierung versteht man das Phänomen, dass die Reibung zwischen zwei Oberflächen extrem gering, fast null, ist. Dies geschieht meist unter besonderen Bedingungen, wie zum Beispiel nanometergroßen, extrem glatten Oberflächen oder speziellen Grenzflächenstrukturen, sodass die Wechselwirkungskräfte zwischen Atomen oder Molekülen keinen ausreichenden Widerstand für ein reibungsloses Gleiten bilden können.

Abbildung: Eis gleitet auf einer glatten Oberfläche

(Bildquelle: KI generiert)

Das heißt, im Nanomaßstab kann ein Stück „Eistuch“ reibungslos auf der Oberfläche von Graphen gleiten!

Wie misst man die Reibung von mikroskopisch kleinem zweidimensionalen Eis?

Das Team von Jiang Ying verwendete das im Inland produzierte Rasterkraftmikroskop qPlus, um die zweidimensionale atomare Eisstruktur auf der Oberfläche von Graphen und Bornitrid direkt zu betrachten. Sie zeigten beide eine doppelschichtige, ineinandergreifende hexagonale Eisphase, die eine sehr schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung mit der Oberfläche bildete.

Drauf- und Seitenansicht der stabilsten zweidimensionalen Wasserstrukturen auf Graphenoberflächen (G\I) und Bornitrid (H/J).

(Bildquelle: Referenz 1)

Gleichzeitig muss man, um die Reibung zu messen, etwas finden, das das zweidimensionale Eis auf der Graphenoberfläche schiebt. Bei großen Flächen aus fragilem zweidimensionalem Eis ist es jedoch nicht einfach, eine stabile und präzise Steuerung und Reibungsmessung zu erreichen. Sie präparierten die Spitze eines speziellen Rasterkraftmikroskops, um das zweidimensionale Eis auf einer mikroskopischen Oberfläche zu bewegen.

In der makroskopischen Welt hat Reibung nichts mit der Oberfläche zu tun, in der mikroskopischen Welt hängt die Reibung jedoch aufgrund der tatsächlichen Kontaktfläche und der Auswirkungen intermolekularer Wechselwirkungen von der Oberfläche ab. Die Forscher stellten fest, dass auf der Graphenoberfläche mit zunehmender Fläche des 2D-Eises die Reibung pro Flächeneinheit schnell abnimmt und schließlich unter 1 Piconewton fällt, was mit theoretischen Vorhersagen der Supraschmierung übereinstimmt.

Der statische Reibungskoeffizient von größerem zweidimensionalen Eis auf der Graphenoberfläche kann sogar unter 0,01 liegen, was seine Supraschmierfähigkeit bestätigt. Auf der Bornitridoberfläche bleibt die Reibungskraft pro Flächeneinheit von zweidimensionalem Eis immer auf einem hohen konstanten Wert und weist ein traditionelles Reibungsverhalten auf. Diese experimentellen Ergebnisse stehen in hohem Maße im Einklang mit theoretischen Simulationen.

Schematische Darstellung des 2D-Eises auf einer mikroskopischen Oberfläche, während sich die Spitze eines speziellen Rasterkraftmikroskops bewegt.

(Bildquelle: Referenz 1)

Warum weist zweidimensionales Eis auf Graphenoberflächen eine Supraschmierfähigkeit auf, auf Bornitridoberflächen jedoch nicht? Durch die Abbildung des zweidimensionalen Eises und des Substrats, auf dem es ruht, fanden die Forscher heraus, dass das Superschmierverhalten des zweidimensionalen Eises auf der Graphenoberfläche auf die schwachen Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen und Graphen und die Inkommensurabilität zwischen dem zweidimensionalen Eis und den Graphengittern zurückzuführen ist.

Schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen bedeuten, dass die Anziehung zwischen ihnen schwach ist, und Inkommensurabilität bedeutet, dass die beiden unterschiedlichen Strukturen nicht perfekt ausgerichtet werden können, genauso wie zwei nicht zusammenpassende Puzzleteile nicht perfekt zusammengesetzt werden können. Obwohl das Gitter von Bornitrid dem von Graphen sehr ähnlich ist, führt die Polarität der Bor-Stickstoff-Bindung zu einer guten Kommensurabilität im zweidimensionalen Eis/Bornitrid-System. Das zweidimensionale Eis passt sehr gut zum Gitter des Bornitrids und bleibt in bestimmten Strukturen „stecken“, wodurch es unmöglich wird, auf der Bornitridoberfläche eine Supraschmierung zu erreichen.

Riesiges Anwendungspotenzial der „Superschmierung“

Das Phänomen der „Supraschmierung“ von mikroskopischem Wasser weist in vielen Bereichen ein großes Anwendungspotenzial auf.

Erstens kann Supraschmierung in der Mikrofluidik und Nanotechnologie den Strömungswiderstand erheblich verringern und die Effizienz der Flüssigkeitsübertragung verbessern. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung effizienter mikrofluidischer Geräte, wie etwa Lab-on-a-Chip-Systeme und fortschrittliche Arzneimittelabgabesysteme für die Präzisionsmedizin, die die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Diagnose und Behandlung deutlich verbessern können.

Zweitens wird durch die Ausnutzung der Superschmiereigenschaften zwischen Wasser und Graphen eine effizientere und umweltfreundlichere Nutzung der Wasserressourcen durch zukünftige Meerwasserentsalzungsanlagen erreicht.

Wenn Meerwasser durch die Graphen-Nanokanäle fließt, können Wassermoleküle ungehindert hindurchfließen, während Salz und andere Verunreinigungen außerhalb der Kanäle effektiv isoliert werden. Dadurch wird nicht nur der Energieverbrauch erheblich gesenkt, sondern auch die Entstehung von Abwasser und Abfall verringert, wodurch eine wirklich umweltfreundliche und nachhaltige Meerwasserentsalzung ermöglicht wird. Der Einsatz dieser Technologie wird eine innovative Lösung für das globale Problem der Wasserknappheit bieten und gleichzeitig zum Umweltschutz und zur Ressourcenschonung beitragen.

Die Supraschmierfähigkeit von Wasser bietet wichtige Anwendungsaussichten in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie. Man geht davon aus, dass diese Anwendungen in Zukunft großen Nutzen für die Umwelt und die Menschen bringen werden.

Quellen:

1. Wu, Da, et al. "Untersuchung der strukturellen Supraschmierfähigkeit des zweidimensionalen Wassertransports mit atomarer Auflösung." Science 384.6701 (2024): 1254-1259.

2. Hummer, Gerhard, Jayendran C. Rasaiah und Jerzy P. Noworyta. „Wasserleitung durch den hydrophoben Kanal einer Kohlenstoffnanoröhre.“ nature 414.6860 (2001): 188-190.

3. Majumder, Mainak, et al. „Verbesserter Fluss in Kohlenstoffnanoröhren.“ Nature 438.7064 (2005): 44-44.

4.Xie, Quan, et al. „Schneller Wassertransport in Graphen-Nanofluidkanälen.“ Nature Nanotechnology 13.3 (2018): 238-245.

5. Ramezani, Maziar, et al. „Supraschmierfähigkeit von Materialien: Fortschritt, Potenzial und Herausforderungen.“ Materialien 16.14 (2023): 5145.