Nanoakışkan araştırmalarında kuantum ve moleküler tesisatın araştırılması

Vücudumuz kanın, suyun ve diğer moleküllerin aktığı küçük damarlardan oluşan karmaşık bir sistem içerir. Boruların boyutu, yalnızca birkaç molekülün yan yana sığabileceği nano ölçeğe küçüldüğünde, suyun davranışını belirleyen klasik fizik yasaları, duvarların atomik yapısından etkilenir. EPFL Kuantum Tesisat Laboratuvarı’nın lideri ve kadrolu yardımcı doçent olan Nikita Kavokine, “Klasik hidrodinamik çökmüyor, daha ziyade katı duvarların yoğun madde fiziği ile karışıyor” diyor.

Sıvıların ve özellikle suyun birkaç nanometrelik ölçeklerde nasıl davrandığı, modern fizikteki büyük boşluklardan biridir. Örneğin bazı deneylerde suyun karbon nanotüplerden beklenenden çok daha hızlı aktığı gözlemlendi. Bilim insanları, biyolojinin milyonlarca yıllık evrimin ardından hakim olduğu olguları anlamaya çalışıyor.

Kavokine, “Nanometre ölçeğinde vücudumuz, molekülleri yüksek enerji verimliliğiyle filtrelemek için suyun belirli özelliklerinden yararlanıyor” diye açıklıyor. Örneğin akuaporinler, iyonları ve diğer molekülleri bloke ederken suyun geçişine izin vermek için bu moleküler ölçekli etkileşimleri kullanan hücre zarlarına gömülü protein kanallarıdır.

Bilinmeyen bir mekanizma

Nano ölçekte su molekülleri, elektromanyetik bağlantı yoluyla kanal duvarındaki elektronlarla etkileşime girer. Kavokine, “İşlerin kuantum haline geldiği yer burasıdır. İşte bu yüzden kuantum tesisatından bahsediyoruz” diye açıklıyor. Bu araştırma şu adreste yayınlandı: Kimyasal Fizik Dergisi ve bir kağıt gönderildi arXiv ön baskı sunucusu.

Araştırmacılar, su ile kanal sınırları arasındaki bu etkileşimlerin yeni bir sürtünme mekanizması yarattığını bulmuşlardır. Bu mekanizmada kanal duvarındaki su molekülleri ve elektronlar birbirini iterek enerji kaybı kaynağı oluşturur. Ancak bu mekanizmanın detayları halen araştırılmaktadır. Kavokine, “Elektronların küçük ölçeklerde nasıl davrandığı hakkında bu kadar çok şey anladığımız halde sıvılar hakkında bu kadar az şey anlamamız paradoksaldır” diye belirtiyor.

Sürtünme bir kuvvet olduğundan, duvardaki elektronlara net bir momentum aktarımı vardır ve bu da suyun akışının elektronları yüzey boyunca çektiği bir tür hidro-elektronik sürüklenmeye yol açar. Bu ek momentum, katının içinden akan bir elektrik akımı üretir. Bu akım, hidrolik enerjiyi nano ölçekte dönüştürmenin yeni bir yolunu sağlayabilir.

Gelecekte, bu küçük ölçekli hidroelektrik enerji dönüşümü, herhangi bir çözünmüş iyona ihtiyaç duymadan her türlü filtreleme işleminde enerji geri kazanımı için kullanılabilir. Bu mekanizma aynı zamanda deniz suyunun tatlı su ile buluştuğu tuzluluk derecelerinden su arıtımına ve enerji toplanmasına da yardımcı olabilir.

Tek nanokanallardan yapay organlara

Çalışmaları gerçekleştirmek için gerekli olan tek bir nanokanalın deneysel ve teknik uygulaması zordur. Kavokine, “Dünya çapında bu sorun üzerinde çalışan birçok grup var ancak elimizde kesin sonuçlara varmak için hâlâ çok az deney var” diyor.

Biyolojik iyon kanalı gibi işlev gören tek bir nanokanalın üretilmesi zaten karmaşık bir iştir. Ancak ilginç uygulamalar, bu kanalların binlerce, belki de milyonlarcasını bir çip üzerinde ve kontrollü bir mimari içinde entegre eden büyük ağlar oluşturmayı gerektirecektir. Kavokine, “Önümüzdeki birkaç yıl içinde, temel nanoakışkanları yararlı bir şeye ölçeklendirmenin mühendislik zorluğuyla yüzleşmeye başlayacağız” diye açıklıyor.

Ancak alan hala genç: Nanoakışkanlar yalnızca 20 yıl önce ortaya çıktı. Araştırmacılar, sıvıların nanokanallardan nasıl aktığının yapı taşlarını hem teorik hem de deneysel olarak bulmaya çalışıyorlar. Kavokine, “Şu anda sahip olduğumuz denklemler, deneylerimizde gözlemlediklerimizi tanımlamak için doğru dil değil” diye itiraf ediyor. Bu nedenle Kuantum Tesisat Laboratuvarı’nda yürütülen çalışmanın bir kısmı, gözlemleri anlamaya yardımcı olacak yeni teorik çerçeveler bulmaya odaklanıyor.

Nanotüp inşa etmek, Kavokine Kuantum Tesisat Laboratuvarı’nın üzerinde çalıştığı birçok projeden sadece biri. Diğer projeler, kuantum algılamayı kullanarak karbon nanotüplerin iç yapısını keşfetmeyi amaçlıyor. Bu, araştırmacıların suyun neden neredeyse hiç sürtünme olmadan aktığını anlamalarına olanak tanıyacak.

Uzun vadede, tek kanallı cihazların ölçeğinin büyütülmesi, doğal olanları taklit eden yapay nanoakışkan ağların üretilmesine yol açabilir. Bu, su ve tuza dayalı yeni yüksek verimli bilgi işlem mimarilerinin yaratılmasına yönelik ilk adım olacaktır. Ancak araştırmacıların bu ağları uygulayabilmesi için hala kat edilmesi gereken uzun bir yol var. Kavokine şöyle açıklıyor: “Her şeyin nasıl çalıştığını yeni çözüyoruz. Hayalim, enerji verimliliği açısından biyolojik analoglarına rakip olabilecek yapay bir beyin veya böbrek gibi bir şey inşa etmek.”

Su ve yağı karıştırmak için bir tarif

Ancak suyun tüm sıra dışı özellikleri yalnızca nano ölçekte ortaya çıkmıyor. Açıklanamayan bazı olaylar günlük yaşamda gözlemlenebilir. Örneğin normal şartlarda su ile yağın birbirine karışmadığı bilinmektedir. Ancak emülsiyonlar oluşturabilirler. Yağ nanodamlalarının sudaki stabilitesinin altında yatan mekanizma, EPFL Temel BiyoFotonik Laboratuvarı profesörü ve yöneticisi Sylvie Roke ve ekibi tarafından ortaya çıkarıldı. Makale şu adreste yayınlandı: arXiv ön baskı sunucusu.

Araştırmacılar, optik teknikleri kullanarak suyla karışabilen mikroskobik yağ damlacıkları oluşturdular. Bulguları, bu gözlemin açıklamasının, zayıf hidrojen bağı etkileşimleri yoluyla iki sıvı arasındaki arayüz boyunca sudan yağa küçük miktarlarda elektrik yükünün aktarılmasında yattığını gösterdi.

Ancak su ve yağ arasındaki arayüz başka birçok süreci de ortaya çıkarabilir. Örneğin Roke’un ekibi, bazikliğin sudaki yağ damlacıklarının hareketini nasıl etkilediğini de açıkladı. Mekanizma, dökme suyun pH’a bağlı iletkenliğiyle bağlantılıdır. Bu genel mekanizma, biyoloji, kimya ve nanoteknolojideki geniş yelpazedeki pH’a bağlı süreçlerin açıklanmasına yardımcı olur.

Ancak suyu moleküler düzeyde anlamak, bilim adamlarının hidrojen bağlarının nasıl oluştuğunu ve ağlar halinde organize edildiğini gözlemlemesini gerektirir. Roke ve işbirlikçileri tarafından geliştirilen yeni bir yöntem, araştırmacıların toplu sudaki etkileşimli hidrojen bağlarını doğrudan ölçmesine olanak tanıyor.

Roke, “Artık yük aktarımını, nükleer kuantum etkilerini ve diğer anlaşılması zor olayları, meydana geldiği atomistik ölçekte doğrudan ölçebiliyoruz. Bu neredeyse ölçülemeyeni ölçmek gibi” diyor. Bu teknik, moleküler bağlantılara doğrudan erişim sağlar ve suyun ve diğer sıvıların diğer birçok moleküler özelliğinin aydınlatılmasına yardımcı olabilir.