(Phys.org) —Il y avait de grands espoirs d'utiliser des nanotubes de carbone, notamment pour le transport d'eau ultra-rapide pour dessaler l'eau de mer. Cependant, une simulation révèle maintenant que ces taux de transport ultra-rapides n'ont peut-être pas été correctement mis à la terre après tout. Depuis lors, les chercheurs qui travaillent avec des expériences et des modèles informatiques sont en désaccord sur les capacités et la physique régissant le matériau.

Les nanotubes de carbone (CNT) ont suscité beaucoup d'intérêt dans le monde de la science depuis leur découverte en 1991. Après tout, le matériau a des propriétés inhabituelles qui le rendent idéal pour diverses applications. Par exemple, Les NTC sont utilisés en génie électrique comme pointes pour de puissants microscopes à effet tunnel, comme fibres de renforcement dans des matériaux synthétiques ou pour des composants d'avions spécifiques. Les CNT ont déclenché l'imagination folle de certains que des cordes faites de ces nanotubes pourraient un jour transporter des ascenseurs de la Terre vers l'espace.

L'utilisation de membranes NTC comme média filtrant est peut-être plus réaliste. Des expériences et des simulations indiquent que les molécules d'eau traversent de telles membranes extrêmement rapidement, ce qui les rend intéressants comme filtres pour les usines de dessalement d'eau de mer économiques :les molécules d'eau passent à travers les pores ultra-étroits, les ions de sel ne le font pas. Ce potentiel des membranes NTC fait donc l'objet de recherches intensives.

Limite identifiée théoriquement largement dépassée

Le transport de l'eau à travers les tuyaux est basé sur une formule bien établie de la dynamique des fluides. La formule décrit le débit, qui est calculé en utilisant la longueur et le diamètre du tube et la différence de pression entre l'entrée et la sortie du fluide aux extrémités respectives du tube. Des expériences ont donné des taux de transport d'eau pour les NTC qui sont censés être 100, 000 fois supérieure à la limite théoriquement calculée à l'échelle macroscopique qui s'appliquerait au transport de l'eau à travers de tels nanotubes. La balance est essentielle pour les processus de transport ultra-rapides. A l'échelle nanométrique, il a été avancé que les molécules d'eau volent littéralement à travers les nanotubes de carbone sans toucher les parois hydrophobes, d'où leur friction réduite et leurs taux de transport améliorés. Et plus les CNT sont étroits, plus les tarifs de transport par eau sont élevés.

Cependant, l'histoire des CNT est semée de controverses. Alors que certains chercheurs expérimentaux ont effectivement observé un débit de 100, 000 fois plus grand et publié ceci dans La nature , d'autres ont mesuré des débits d'eau qui n'ont été augmentés que de 100 à 1000 fois. Les simulations n'ont pas non plus permis de répondre à la question de savoir si les membranes NTC recèlent vraiment autant de potentiel. Les modèles informatiques précédents considèrent trop peu de molécules d'eau et des CNT trop courts par rapport aux CNT utilisés expérimentalement. Simulations qui ont rapporté un 100, L'amélioration de 000 fois n'est parvenue à cette valeur que par extrapolation.

Une nouvelle simulation jette le doute sur le transport ultra-rapide

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Petros Koumoutsakos a maintenant alimenté ce débat scientifique avec la simulation la plus grande et la plus détaillée de l'écoulement de l'eau à travers les nanotubes de carbone à ce jour. Le modèle informatique simule des NTC de la même longueur que ceux utilisés dans les expériences. Un article vient de paraître dans la revue Lettres nano .

De façon intéressante, les simulations n'ont pu confirmer qu'une augmentation de 200 fois du débit d'eau et ne confirment pas la 100, Amélioration de 000 fois qui avait été revendiquée par certains expérimentateurs. Pour Petros Koumoutsakos, ces taux ultra-rapides rapportés sont un mystère. "Nos simulations suggèrent que des débits aussi élevés ne sont pas possibles pour l'eau pure et les NTC, ", explique le professeur de l'ETH-Zurich. Koumoutsakos a pu confirmer qu'une longueur accrue de CNT améliore le débit d'eau, mais seulement jusqu'à une certaine longueur. Après 500 nm, les vitesses de transport restent en grande partie inchangées. Il a également réussi à simuler et à expliquer théoriquement les obstacles à l'entrée d'eau et sortie d'un tube qui réduisent le débit. cela ne concerne que les NTC courts, ayant à peine un impact sur les longs.

Des millions de molécules virtuelles transitent par les NTC

Le modèle informatique est basé sur des nanotubes de carbone purs d'un micromètre de long et d'environ deux nanomètres de diamètre, à travers lequel les informaticiens ont canalisé des millions de molécules d'eau virtuelles. Les simulations à la Chaire de science informatique sont d'une ampleur sans précédent et elles étaient réalisables grâce à l'ordinateur à grande échelle du Centre suisse de calcul scientifique de Lugano.

Le informaticien ne peut pas comprendre pourquoi le débit de sa simulation diffère autant des valeurs mesurées dans certaines expériences. "Nos résultats coïncident même avec les résultats d'essais expérimentaux plus récents, " souligne Koumoutsakos. Il soupçonne que des modifications chimiques des NTC ou d'autres phénomènes non observés pourraient augmenter le flux. Cependant, la simulation ne tient pas compte de ces impuretés, il dit. Par conséquent, Koumoutsakos envisage le développement de modèles informatiques qui prennent également en compte et quantifient ces incertitudes.

Le professeur de l'ETH-Zurich espère que son modèle informatique encouragera d'autres chercheurs à revisiter leurs expériences et à collaborer afin de quantifier les incertitudes dans les expériences et les simulations. À son avis, les données obtenues expérimentalement devront être étayées par des simulations avant d'être publiées à l'avenir.

Les expériences produisent un large éventail de données

Parc Hyung Gyu, professeur assistant de technologie énergétique à l'ETH Zurich, est l'un des chercheurs qui ont déterminé les débits expérimentalement. Il a mené des expérimentations avec des NTC que Koumoutsakos remet désormais en partie en cause et en a publié les résultats dans la revue Science en 2006. Park a observé des taux de transport de 500 à 8, 500 fois supérieur aux prévisions théoriques. Dans le meilleur des cas, les valeurs qu'il a obtenues par les expériences et la simulation s'écartent de 2,5 fois. "Par conséquent, ils s'accordent plutôt bien, " il dit.

Park reconnaît que Koumoutsakos et son équipe ont réalisé une excellente simulation de la dynamique moléculaire. Les informaticiens ont fait des recherches approfondies sur la physique des fluides nécessaire et ont ainsi pu bien décrire l'écoulement de l'eau dans les environnements de graphite à l'échelle nanométrique. Cependant, le chercheur coréen souligne que ce type de simulation a des limites méthodologiques :« Cette simulation pourrait bien nous rapprocher des conditions expérimentales réelles, mais ils ne reflètent pas encore pleinement la réalité."

Park dit que l'approche de l'informaticien est correcte en principe. Cependant, les prérequis sur lesquels reposent les simulations diffèrent de ses expériences. Par exemple, il a utilisé des nanotubes de carbone d'un diamètre compris entre un et deux nanomètres. Dans la simulation, cependant, le diamètre était de 2,03 nanomètres. Bien que la différence puisse sembler infime et insignifiante, à cette échelle, le transport de l'eau change fortement, comme Park l'a observé expérimentalement. La simulation n'a également pris en compte qu'un seul diamètre de tube; ses expériences, cependant, pris plusieurs.

Discussion fructueuse entre les départements

Malgré ses critiques, Park voit dans la simulation développée par son collègue du département une contribution essentielle, dont la recherche expérimentale ne peut que bénéficier. Il y voit une avancée dans la modélisation des phénomènes d'écoulement à l'échelle nanométrique et dans les conditions qui prévalent dans les environnements graphite. "Je vérifierai attentivement ce modèle et mes résultats avec des membranes à nanotubes à l'avenir, ", souligne-t-il. Après tout, il concède, il est très difficile d'évaluer expérimentalement de tels processus de transport à l'échelle nanométrique. De plus, c'est un défi de synthétiser un billion (10 ¹² ) des NTC à diamètre constant pour la construction d'un dispositif à membrane centimétrique, un exploit que le groupe de recherche de Park a récemment accompli. Ils travaillent actuellement à la production de membranes NTC à plus grande échelle.

Malgré leur débat scientifique, les deux scientifiques voient comme un rare privilège que des chercheurs travaillent sur des expériences et des simulations sur ce sujet dans la même institution. « Je suis convaincu que notre saine concurrence et notre collaboration entre les scientifiques des deux domaines seront très utiles à ce domaine de recherche passionnant, " dit Parc.