Un flujo de agua sobre una superficie de átomos de carbono, como la que constituye el grafeno, se rige por una fricción cuántica. Ahora se ha demostrado experimentalmente este fenómeno inusual con técnicas láseres ultrarrápidas. Los resultados se podrían aplicar en procesos de purificación y desalinización del agua e incluso a ordenadores basados en líquidos.
Durante los últimos 20 años, los científicos han estado desconcertados por cómo se comporta el agua cerca de las superficies de carbono. Puede fluir mucho más rápido de lo que se esperaría según las teorías de fluidos convencionales o adoptar disposiciones extrañas, como el hielo cuadrado.
Ahora, un estudio experimental desvela que el agua puede interactuar directamente con los electrones del carbono: un fenómeno cuántico muy poco habitual en dinámica de fluidos.
Sabemos que un líquido como el agua está formado por pequeñas moléculas que se mueven al azar y chocan constantemente entre sí. Un sólido, en cambio, está formado por núcleos atómicos en posiciones más o menos fijas sumergidos en una nube de electrones. En los modelos usuales se supone que los mundos sólido y líquido solo interactúan mediante colisiones de las moléculas líquidas con los “átomos” del sólido, es decir, se asume que las moléculas líquidas no “distinguen” los electrones del sólido.
Sin embargo, hace poco más de un año, un estudio teórico que cambió este enfoque propuso que, en la interfase agua-carbono, las moléculas del líquido y los electrones del sólido se empujan y tiran unos de otros, ralentizando el flujo del líquido: este nuevo efecto se denominó fricción cuántica. Sin embargo, la propuesta teórica carecía de verificación experimental.
El equipo estudió una muestra de grafeno —una monocapa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal—. Utilizaron pulsos ultracortos de láser rojo (con una duración de solo una millonésima de milmillonésima de segundo) para calentar instantáneamente la nube de electrones del grafeno. A continuación, controlaron su enfriamiento con pulsos láser de terahercios, sensibles a la temperatura de los electrones del grafeno. Esta técnica se denomina espectroscopia de bomba óptica y sonda de terahercios.
Para su sorpresa, la nube de electrones se enfrió más rápido cuando el grafeno se sumergió en agua, mientras que la inmersión del grafeno en etanol no supuso ninguna diferencia en la velocidad de enfriamiento. Una posible explicación era que los electrones calientes empujan y tiran de las moléculas de agua para liberar parte de su calor: en otras palabras, se enfrían por fricción cuántica. Los investigadores profundizaron en la teoría y, efectivamente, la fricción cuántica agua-grafeno podía explicar los datos experimentales.
Lo que hace especial al agua en este caso es que sus vibraciones, denominadas ‘hidrones’, están en sincronía con las vibraciones de los electrones del grafeno, denominadas plasmones, de modo que la transferencia de calor grafeno-agua aumenta gracias a la resonancia.
Los experimentos confirman así el mecanismo básico de la fricción cuántica sólido-líquido. Esto tendrá implicaciones para los procesos de filtración y desalinización, en los que la fricción cuántica podría utilizarse para ajustar las propiedades de permeación de las membranas nanoporosas. Si se aprende a controlar la interacción agua-electrón, otras aplicaciones son imaginables en electrocatálisis y fotocatálisis en la interfaz sólido-líquido. Y, ya puestos, ordenadores basados en fluidos.
Referencia:
Yu, X., Principi, A., Tielrooij, KJ. et al. (2023) Electron cooling in graphene enhanced by plasmon–hydron resonance. Nat. Nanotechnol. doi: 10.1038/s41565-023-01421-3
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2)
