Динаміка заповнення водою нанотрубок

Як відомо [1, 2], при протіканні води через вуглецеві нанотрубки (ВНТ) спостерігається унікальне явище – швидкість протікання на 4-5 порядків перевищує величину, обумовлену класичною формулою Пуазейля. Ця особливість обумовлена характером взаємодії молекул води з внутрішньою поверхнею нанотрубки.

На відміну від макроскопічних поверхонь, що володіють значною шорсткістю, поверхню УНТ є майже ідеально гладкою на молекулярному масштабі, завдяки чому вода практично не відчуває тертя при протіканні через нанотрубки. Подібна властивість УНТ відкриває нові напрямки їх прикладного використання, пов’язані із створенням водних опріснювальних установок та водоочисних споруд. Для розвитку цих напрямів, необхідно глибоке розуміння механізмів, відповідальних за поведінку води всередині УНТ.

Один з експериментів у цьому напрямку нещодавно був виконаний дослідниками з Univ. Paris-Sud (Франція), Inst. Laue-Langevin (Франція) і Univ. of Perugia (Італія) [3]. У цьому експерименті динаміку заповнення одношарових УНТ діаметром 1.41 нм водою досліджували методом рентгенівського розсіювання. УНТ у вигляді порошку поміщають в скляний капіляр, який або піддавали вакуумного відкачування при різних температурах, або заповнювали насиченою водяною парою. Довжина хвилі рентгенівського випромінювання становила 0.15418 нм. З метою видалення адсорбованих молекул води зразки УНТ перед експериментом короткочасно нагрівали у вакуумі до 333 K, після чого знову охолоджували до 298 K. Процес заповнення тривав від 20 хв до 100 год, у залежності від щільності вихідного зразка УНТ. Аналіз рентгенограм вказує на утворення в процесі заповнення УНТ водою шаруватих водних структур, що різняться щільністю (приосевая область характеризується більш високою щільністю, ніж периферійні області).

Динаміка заповнення нанотрубки водою, відновлена на підставі обробки рентгенограм в рамках тришарової моделі:
a – динаміка зміни щільності води, b – динаміка зміни частки води в зразку.
1 – шар, обмежений радіусами 0.43 нм і 0.33 нм;
2 – шар, обмежений радіусами 0.33 нм і 0.1 нм;
3 – шар, обмежений радіусом 0.1 нм і віссю нанотрубки.

Результати вимірювань, оброблені в рамках тришарової моделі, показані на малюнку. Згідно цієї моделі, вода, що заповнює УНТ, має тришарову радіальну структуру, так що зовнішній радіус першого, зовнішнього шару становить r1 = 0.53 нм, радіус серединного шару становить 0.43 нм, а радіус центрального (осьового) шару становить 0.1 нм. Представлені на малюнку дані показують, що на початковій стадії заповнення, при вмісті води в зразку нижче 5% (по масі), заповнення практично однорідне, так що розшарування відбувається на подальших стадіях. Цікаво, що радіальний розподіл щільності води в зразку не є монотонним: найменшу щільність має другий, проміжний шар, що знаходиться між приосевым і периферійним шарами.

 

1. M. Majumder et al., Nature 438, 44 (2005).

2. J. K. Holt et al., Science 312, 1034 (2006).

3. E. Paineau et al., Nano Lett. 13, 1751 (2013).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *