پژوهشی مشترک با مشارکت دانشگاه تربیت معلم شهید رجایی و چند دانشگاه بینالمللی از کشورهای بلژیک، برزیل و چین نشان میدهد که رفتار آب در نانوکانالهای آبدوست، در ابعاد بسیار کوچک، میتواند شباهتهای شگفتانگیزی با جریان فوقسریع آب در نانوکانالهای آبگریز داشته باشد.
به گزارش خبرگزاری سیناپرس، این پژوهش با توسعه نسخهای اصلاحشده از معادله کلاسیک لوکاس–واشبورن و پشتیبانی شبیهسازیهای دقیق دینامیک مولکولی، موفق شده است یک چارچوب یکپارچه برای توصیف نفوذ و جریان آب در نانومقیاس ارائه دهد. نتایج نشان میدهد که در کانالهایی با ابعاد کمتر از ۳ نانومتر، نفوذ آب رفتاری غیرعادی از خود نشان میدهد که ریشه آن در برهمکنشهای نانومقیاس و شرایط لغزش دیوارههاست؛ یافتهای که میتواند طراحی غشاها و سامانههای نانوسیالی آینده را متحول کند.
حرکت آب در لولهها و کانالها، در مقیاس روزمره، پدیدهای آشنا و قابل پیشبینی است. قوانین کلاسیک فیزیک بهخوبی توضیح میدهند که آب چگونه در لولهها جریان پیدا میکند یا در مواد متخلخل بالا میرود. اما وقتی ابعاد این کانالها به مقیاس نانومتر میرسد، یعنی هزاران برابر نازکتر از موی انسان، رفتار آب دیگر چندان قابل پیشبینی نیست. در این مقیاس، مولکولهای آب تحت تأثیر نیروهایی قرار میگیرند که در دنیای ماکروسکوپی عملا نادیده گرفته میشوند. همین تفاوت، سالهاست ذهن پژوهشگران حوزه نانوسیالات را به خود مشغول کرده است.
در همین زمینه، پژوهشی مشترک میان دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، دانشگاه آنتورپ بلژیک، دانشگاه فدرال سئارا برزیل و دانشگاه شیآن جیائوتونگ چین نشان میدهد که رفتار آب در نانوکانالهای آبدوست، برخلاف انتظار، میتواند الگوهایی مشابه جریان فوقسریع آب در نانوکانالهای آبگریز از خود نشان دهد؛ یافتهای که به بازنگری در مدلهای کلاسیک نفوذ مویین در مقیاس نانو منجر شده است.
در سالهای اخیر، نانوکانالها به اجزای کلیدی در فناوریهایی مانند غشاهای تصفیه آب، سامانههای نمکزدایی، حسگرهای زیستی، ذخیرهسازی انرژی و حتی تراشههای سیالپایه تبدیل شدهاند. عملکرد این سامانهها بهطور مستقیم به نحوه حرکت و نفوذ آب در کانالهایی با ابعاد نانومتری وابسته است. با این حال، مدلهای کلاسیکی مانند معادله لوکاس–واشبورن، که برای توصیف نفوذ مایعات در لولههای باریک استفاده میشوند، در این مقیاس دقت کافی ندارند. مشاهده رفتارهای غیرعادی در آزمایشها و شبیهسازیها، ضرورت توسعه مدلهایی جدید و دقیقتر را برجسته کرده است؛ مدلی که بتواند هم نفوذ آب در کانالهای آبدوست و هم جریان سریع در کانالهای آبگریز را بهطور همزمان توضیح دهد.
در این پژوهش، تمرکز اصلی بر نانوکانالهایی با ارتفاع کمتر از ۳۰ نانومتر بوده است؛ محدودهای که در آن اثرات سطحی، لغزش دیوارهها و نیروهای بینمولکولی نقش غالب دارند. بخش نانویی کلیدی این کار، بررسی رفتار آب در نانوکانالهای آبدوست (Hydrophilic) و آبگریز (Hydrophobic) و مقایسه مستقیم آنها در مقیاسهای زیر ۳ نانومتر است.
پژوهشگران با گسترش معادله کلاسیک لوکاس–واشبورن، عواملی مانند افزایش ویسکوزیته مؤثر، فشار جدایشی (Disjoining Pressure) و شرایط لغزش در دیوارهها را وارد مدل کردند. این اصلاحات، امکان توصیف دقیقتر دینامیک نفوذ و جریان آب را در نانومقیاس فراهم کرده است.
برای اعتبارسنجی مدل توسعهیافته، شبیهسازیهای گسترده دینامیک مولکولی با استفاده از نرمافزار LAMMPS انجام شد. نانوکانالها از لایههای سیلیس هیدروکسیلهشده ساخته شدند که شرایط کاملا آبدوست را فراهم میکنند. ارتفاع نانوکانالها از ۰.۶ نانومتر تا ۳۰ نانومتر تغییر داده شد تا رفتار آب در گستره وسیعی از ابعاد بررسی شود.
در این شبیهسازیها، از مدل SPC/Fw برای مولکولهای آب و میدان نیروی سازگار برای سیلیس استفاده شد. دما در ۳۰۰ کلوین تثبیت و شرایط مرزی تناوبی اعمال شد. پس از مرحله تعادلسازی، نفوذ آب به داخل نانوکانالها و شکلگیری منیسک با دقت زمانی در حد فمتوثانیه مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج این مطالعه نشان داد که در نانوکانالهای آبدوست، برخلاف انتظار، طول نفوذ آب با کاهش اندازه کانال همواره کاهش نمییابد. در ابعاد کمتر از ۳ نانومتر، یک قله غیرعادی در طول نفوذ مشاهده شد؛ رفتاری که پیشتر تنها در جریان فوقسریع آب در نانوکانالهای آبگریز گزارش شده بود.
تحلیلها نشان میدهد که منشأ فیزیکی این رفتار غیرمنتظره در هر دو حالت آبدوست و آبگریز، یکسان است و به برهمکنشهای پیچیده میان مولکولهای آب، دیواره کانال و شرایط لغزش در مرزها بازمیگردد. این یافته، مرز مفهومی میان رفتار آب در کانالهای آبدوست و آبگریز را تا حدی کمرنگ میکند.
مدل توسعهیافته در این پژوهش، نهتنها با نتایج شبیهسازیهای دینامیک مولکولی همخوانی بالایی نشان داد، بلکه با دادههای آزمایشگاهی موجود نیز تطابق قابل توجهی داشت. این مدل قادر است نفوذ خودبهخودی آب را در بازهای از مقیاسهای زمانی از نانوثانیه تا ساعت و در ابعاد فضایی از چند نانومتر تا صدها نانومتر پیشبینی کند.
یکی از مزیتهای مهم این چارچوب، در نظر گرفتن دقیق اثر لغزش دیوارههاست؛ موضوعی که بهویژه در نانوکانالهای گرافنی و سامانههای پیشرفته نانوسیالی اهمیت حیاتی دارد.
یافتههای این پژوهش، درک ما از رفتار سیالات در نانومقیاس را یک گام به جلو میبرد و میتواند مبنای طراحی بهینه نانوکانالها و غشاهای نسل جدید باشد. از تصفیه و نمکزدایی آب گرفته تا سامانههای زیستی و میکروسیالات پیشرفته، این مدل میتواند به پیشبینی دقیقتر عملکرد سامانهها و کاهش هزینههای آزمون و خطا کمک کند.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Interlink between Abnormal Water Imbibition in Hydrophilic and Rapid Flow in Hydrophobic Nanochannels در نشریه Physical Review Letters به چاپ رسیده است.