Pendant 15 ans, les scientifiques ont été déconcertés par la façon mystérieuse dont l'eau s'écoule à travers les minuscules passages des nanotubes de carbone - des tuyaux dont les parois peuvent n'avoir qu'un seul atome d'épaisseur. Les courants ont confondu toutes les théories de la dynamique des fluides; paradoxalement, le fluide passe plus facilement à travers des nanotubes plus étroits et, dans tous les nanotubes, il se déplace presque sans frottement. Quelle friction il y a a également défié toute explication.

Dans un mélange sans précédent de dynamique des fluides et de mécanique quantique, les chercheurs rapportent dans une nouvelle étude théorique publiée le 2 février dans Nature qu'ils ont enfin une réponse :"frottement quantique".

L'explication proposée est la première indication d'effets quantiques à la frontière d'un solide et d'un liquide, déclare l'auteur principal de l'étude Nikita Kavokine, chercheur au Centre de physique quantique computationnelle (CCQ) du Flatiron Institute à New York.

"Le système eau-carbone intrigue les scientifiques depuis plus d'une décennie, et nous proposons la première explication raisonnable de ce qui se passe", déclare Kavokine. "Ce travail montre un lien entre l'hydrodynamique et les propriétés quantiques de la matière qui n'était pas évident jusqu'à présent."

Dans leur explication, Kavokine et ses collègues proposent que les molécules d'eau qui passent interagissent avec les électrons dans les parois des nanotubes, de sorte que les molécules et les électrons se poussent et se tirent les uns sur les autres et ralentissent le flux.

Cet effet est le plus fort pour les variantes de nanotubes construites à partir de plusieurs couches de feuilles de carbone d'un seul atome d'épaisseur. C'est parce que les électrons peuvent sauter d'une couche à l'autre. Pour les nanotubes plus étroits, les contraintes géométriques provoquent un désalignement entre les couches. Les chercheurs proposent que ce décalage à l'échelle atomique entrave les sauts d'électrons, réduisant la friction et provoquant des flux plus rapides à travers des tubes plus étroits.

Les résultats théoriques pourraient avoir des implications importantes pour les applications proposées des nanotubes de carbone, telles que la filtration du sel de l'eau de mer ou la production d'énergie en utilisant la différence de salinité entre l'eau salée et l'eau douce. Moins de friction signifie moins d'énergie est nécessaire pour forcer l'eau à travers les tubes.

"Notre travail décrit des moyens radicalement nouveaux de contrôler l'écoulement des fluides à l'échelle nanométrique à l'aide de matériaux avancés", explique Lydéric Bocquet, directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) à Paris. Avec Kavokine, il est co-auteur de la nouvelle étude avec Marie-Laure Bocquet, également directrice de recherche au CNRS.

Les chercheurs ont considéré des nanotubes avec des diamètres allant de 20 à 100 nanomètres. À titre de comparaison, une molécule d'eau mesure 0,3 nanomètre de diamètre. Les tubes peuvent être si minuscules grâce à leur matériau de construction robuste, le graphène :des feuilles d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome dans un motif en nid d'abeille. Lorsque vous empilez plusieurs couches de graphène, vous obtenez du graphite (comme celui que l'on trouve dans la mine de crayon).

Depuis 2005, les scientifiques ont mesuré la rapidité et la facilité avec laquelle l'eau se déplace à travers les nanotubes de carbone. Parce qu'ils sont si petits, les nanotubes feraient des pailles assez terribles :le liquide ne coule qu'à des milliardièmes de litre par seconde.

Mais le liquide se déplace au moins avec très peu de résistance car les parois en graphène des tubes sont entièrement lisses. Ce manque de rugosité de surface réduit la résistance au passage des molécules d'eau. Le graphène n'attrape pas non plus de molécules à sa surface comme le font de nombreux autres matériaux. Ces molécules capturées peuvent également ralentir le flux.

Les mesures des premières études ont suggéré que l'eau s'écoule presque sans frottement à travers les nanotubes. En 2016, cependant, une étude expérimentale dans Nature co-écrit par Lydéric Bocquet a constaté que la quantité de frottement dépend du rayon du nanotube. De manière déroutante, l'effet de friction a augmenté pour les nanotubes plus gros. Cela n'avait aucun sens, puisque les plus gros tubes devaient être aussi lisses que les plus petits. Ces bizarreries ont suscité des débats dans le domaine et sont devenues des lacunes dans les connaissances dans l'étude des flux à l'échelle nanométrique.

Parce que les théories existantes de la dynamique des fluides ont échoué, Kavokine et ses collègues ont approfondi les propriétés des parois de graphène. Une telle approche est inhabituelle pour l'étude des fluides, dit Kavokine. "En hydrodynamique, le mur n'est qu'un mur, et vous ne vous souciez pas de la composition du mur. Nous avons réalisé qu'à l'échelle nanométrique, cela devient en fait très important." En particulier, Kavokine s'est rendu compte que les effets quantiques à l'interface graphène-eau pouvaient produire des frottements en permettant à l'eau qui coule de dissiper de l'énergie dans les électrons qui circulent dans le graphène.

Étonnamment, la pandémie de COVID-19 a aidé la recherche. "Il y avait une courbe d'apprentissage théorique abrupte pour résoudre ce problème", explique Kavokine. "J'ai dû lire beaucoup de livres fondamentaux et apprendre de nouvelles choses, et être confiné pendant plusieurs mois m'a vraiment aidé."

Un facteur crucial était que certains des électrons du graphène pouvaient se déplacer librement à travers le matériau. De plus, ces électrons peuvent interagir électromagnétiquement avec les molécules d'eau. C'est parce que chaque molécule d'eau a une extrémité légèrement chargée positivement et une extrémité légèrement chargée négativement en raison de l'atome d'oxygène tirant plus fortement sur le nuage d'électrons que les atomes d'hydrogène.

Selon l'explication des chercheurs, les électrons de la paroi de graphène se déplacent avec les molécules d'eau qui passent. Mais les électrons ont tendance à être légèrement en retard, ce qui ralentit les molécules. Cet effet est connu sous le nom de frottement électronique ou quantique et n'a été considéré auparavant que comme un facteur d'interaction entre deux solides ou une seule particule et un solide.

La situation est cependant plus complexe lorsqu'il s'agit d'un liquide, où de nombreuses molécules interagissent toutes ensemble. Les électrons et les molécules d'eau tremblent en raison de leur énergie thermique. S'ils tremblent à la même fréquence, un effet appelé résonance se produit qui augmente la force de friction quantique. Cet effet de résonance est le plus important pour les nanotubes avec des couches bien alignées, car le mouvement des électrons entre les couches est synchronisé avec celui des molécules d'eau.

Cette nouvelle interaction entre les liquides et les solides est passée inaperçue jusqu'à présent pour deux raisons principales, explique Kavokine. Tout d'abord, le frottement résultant est si faible qu'il serait négligeable pour des matériaux aux surfaces plus rugueuses. Deuxièmement, l'effet repose sur le fait que les électrons prennent un certain temps pour s'adapter aux molécules d'eau en mouvement. Les simulations moléculaires ne peuvent pas détecter le frottement car elles utilisent l'approximation de Born-Oppenheimer, qui suppose que les électrons s'adaptent instantanément au mouvement des atomes proches.

La nouvelle étude est théorique, les chercheurs disent donc que des expériences sont nécessaires pour confirmer leur proposition et explorer certaines de ses conséquences contre-intuitives. Ils soulignent également qu'il existe un besoin pour des simulations améliorées qui ne reposent pas sur l'approximation de Born-Oppenheimer. "J'espère que cela changera notre façon de traiter ces systèmes et apportera de nouveaux outils théoriques à d'autres problèmes", déclare Kavokine. + Explorer plus loin

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