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Quantum Pfützen machen

Quantum Pfützen machen

Quantum Pfützen machen

Ein Team von Physikern an der Universität von Vermont hat einen grundlegend neuen Weg entdeckt, wie Oberflächen nass werden können. Ihre Studie könnte es den Wissenschaftlern ermöglichen, die dünnsten jemals hergestellten Flüssigfilme herzustellen – und eine neue Klasse von Oberflächenbeschichtungen und Schmierstoffen zu entwickeln, die nur wenige Atome dick sind.

“Wir haben gelernt, wie die Dicke von ultradünnen Filmen, die auf Graphen gewachsen sind, kontrolliert wird”, sagt Sanghita Sengupta, Doktorandin am UVM und Hauptautorin der neuen Studie. “Und wir haben jetzt ein gutes Gespür dafür, welche Bedingungen – wie Knöpfe, die man drehen kann – verändern werden, wie viele Schichten von Atomen sich in verschiedenen Flüssigkeiten bilden.”

Ein dritter Weg

Um die neue Physik zu verstehen, stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Regen auf Ihr neues iPhone fällt: Es bildet Perlen auf dem Bildschirm. Sie sind leicht abzuschütteln. Nun stellen Sie sich Ihr Bad nach einer langen Dusche vor: Der ganze Spiegel kann mit einer dünnen Wasserschicht bedeckt sein. “Dies sind zwei extreme Beispiele für die Physik der Benetzung”, sagt Adrian Del Maestro, ein Co-Autor der Studie. “Wenn die Wechselwirkungen in der Flüssigkeit stärker sind als zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche, haften die flüssigen Atome zusammen Im entgegengesetzten Fall bewirkt der starke Sog der Oberfläche, dass sich die Flüssigkeit ausbreitet und einen dünnen Film bildet. ”

Vor mehr als 50 Jahren spekulierten die Physiker über eine dritte Möglichkeit – ein seltsames Phänomen, das als “kritische Benetzung” bezeichnet wird, bei dem die Atome der Flüssigkeit auf einer Oberfläche einen Film bilden würden, aber dann aufhören würden, sich zu bilden, wenn sie nur wenige Atome dick waren. Diese Wissenschaftler in den 1950er Jahren, darunter der berühmte sowjetische Physiker Evgeny Lifshitz, waren sich nicht sicher, ob eine kritische Benetzung wirklich war, und sie glaubten sicherlich nicht, dass sie jemals im Labor gesehen werden könnte.

Dann, im Jahr 2010, wurde der Nobelpreis für Physik an zwei russische Wissenschaftler für ihre Schaffung einer bizarren Form von Kohlenstoff namens Graphen verliehen. Es ist eine Wabenplatte aus Kohlenstoff, nur ein Atom dick. Es ist das stärkste Material der Welt und hat viele skurrile Eigenschaften, die Materialwissenschaftler seither erforschen.

Graphen erweist sich als die “ideale Oberfläche, um auf kritische Benetzung zu testen”, sagt Del Maestro – und mit ihm hat das Vermont-Team nun mathematisch bewiesen, dass kritische Benetzung real ist.

Van-der-Waals-Kräfte nutzen

Die Wissenschaftler untersuchten, wie sich drei leichte Gase – Wasserstoff, Helium und Stickstoff – in der Nähe von Graphen verhalten würden. In einem Vakuum und unter anderen Bedingungen berechneten sie, dass sich eine flüssige Schicht dieser Gase auf der einatomigen Graphenschicht bilden wird. Aber dann hört der Film auf zu wachsen, wenn “er zehn oder zwanzig Atome dick ist”, sagt Valeri Kotov, ein Graphen-Experte im UVM-Department of Physics und leitender Autor der Studie.

Die Erklärung kann in der Quantenmechanik gefunden werden. Obwohl ein neutrales Atom oder Molekül – wie die vom UVM-Team untersuchten leichten Gase – keine elektrische Gesamtladung hat, bilden die Elektronen, die ständig den fernen Kern umkreisen (OK, “weit entfernt” nur von der Größenordnung eines Elektrons), augenblicklich Ungleichgewichte auf der einen oder anderen Seite des Atoms. Diese Verschiebungen in der Elektronendichte führen zu einer der allgegenwärtigen, aber schwachen Kräfte im Universum: der Van-der-Waals-Kraft. Die Anziehungskraft, die es zwischen Atomen erzeugt, reicht nur eine kurze Strecke.

Aufgrund der ungewöhnlichen, perfekt flachen Geometrie des Graphens gibt es keine elektrostatische Ladung oder chemische Bindung, um die Flüssigkeit zu halten, so dass die schwache Van-der-Waals-Kraft das schwere Heben nicht behindert. Deshalb stoppt die an das Graphen gebundene Flüssigkeit das Anziehen zusätzlicher Atome aus dem Dampf, wenn der Film nur wenige Atome von der Oberfläche entfernt gewachsen ist. Im Vergleich dazu wäre selbst die dünnste Wasserschicht auf Ihrem Badezimmerspiegel – die von vielen viel stärkeren Kräften als nur den Quanteneffekten der Van-der-Waals-Kräfte gebildet wird – “in der Nähe von 109 Atomen dick”, sagt Del Maestro; das ist 1.000.000.000 Atome dick.

Angewandte Feuchtigkeit

Das Konstruieren einer Oberfläche, auf der diese Art schwacher Kräfte beobachtet werden kann, hat sich als sehr schwierig erwiesen. Aber die Explosion des wissenschaftlichen Interesses an Graphen hat den UVM-Wissenschaftlern erlaubt, zu dem Schluss zu kommen, dass kritische Benetzung ein universelles Phänomen in den zahlreichen Formen von Graphen zu sein scheint, die jetzt erzeugt werden und über die wachsende Familie anderer zweidimensionaler Materialien.

Suspended Graphene mit dünnem Film

Die Modelle der Wissenschaftler zeigen, dass in einem Vakuum eine Graphenschicht (oben) so manipuliert werden kann, dass ein flüssiger Film entsteht (Atome in blau, oben), der nicht mehr in einer Dicke von 50 Nanometern bis hinunter zu einem Nanometer wächst Dicke von nur drei Nanometern. “Wichtig ist, dass wir diese Dicke einstellen können”, sagt Sengupta. Durch Dehnung des Graphens, Dotierung mit anderen Atomen oder Anlegen eines schwachen elektrischen Feldes in der Nähe haben die Forscher Hinweise darauf, dass die Anzahl der Atome in einem ultradünnen Film kontrolliert werden kann.

Die mechanische Einstellung des Graphens könnte Echtzeitänderungen in der Dicke des Flüssigkeitsfilms ermöglichen. Es könnte ein bisschen wie ein “quantengroßer Knopf” sein, sagt Nathan Nichols – ein anderer UVM-Doktorand, der an der neuen Studie arbeitete – auf der Außenseite einer atomaren Maschine, um die Oberflächenbeschichtung beweglicher Teile im Inneren zu verändern .

Jetzt sucht dieses Team theoretischer Physiker – “Ich fange an zu nennen, was ich mache”, sagt Sengupta – sucht ein Team von Experimentalphysikern, um ihre Entdeckung im Labor zu testen.

Ein Großteil der anfänglichen Versprechen von Graphen als Industrieprodukt wurde noch nicht realisiert. Ein Teil des Grundes dafür ist, dass viele seiner besonderen Eigenschaften – wie ein bemerkenswert effizienter Leiter – verschwinden, wenn dicke Schichten anderer Materialien daran haften. Aber mit der Kontrolle der kritischen Benetzung könnten Ingenieure in der Lage sein, nanoskalige Beschichtungen so anzupassen, dass die gewünschten Eigenschaften von Graphen nicht ausgelöscht werden, aber Adrian Del Maestro könnte Schmierung und Schutz der “nächsten Generation” tragbarer Elektronik und Displays bieten. ”

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