Watertransport door koolstofnanobuisjes wordt versneld doordat die buisjes in de lengterichting trillen. Uiterst gedetailleerde simulaties met een ‘virtuele supercomputer’ van IBM wijzen het uit, melden Chinese onderzoekers in Nature Nanotechnology.

Volgens de auteurs versnelt het de diffusie van water door een koolstofnanobuisjesfilter onder bepaalde omstandigheden met een factor drie, wat handig is om te weten als je met zulke buisjes ooit een ontziltingsinstallatie wilt bouwen.

Die oscillaties van atomen in een kristalstructuur (want dat is zo’n nanobuisje in feite) heten fononen. Ze zijn een kwantumfysisch verschijnsel dat vanzelf optreedt zonder dat je er een externe trillingsbron voor nodig hebt; omgevingswarmte is voldoende.

Het zwaartepunt van het buisje gaat hierdoor heen en weer gaat bewegen, en dat heeft weer invloed op de wateratomen die in zo’n buisje klem zitten. Hierdoor lijkt het alsof de wrijving tussen water en buiswand ook gaat oscilleren, zo wijzen de simulaties uit. Eindresultaat blijkt te zijn dat onder bepaalde condities de diffusie wordt versneld.

Experimenteel had men al eerder zien gebeuren dat water veel sneller door nanobuisjes gaat dan de klassieke stromingsleer voorspelt. Maar eerdere computersimulaties waren te grof om de oorzaak zichtbaar te maken. De minimale stroomsnelheid die je nog kon simuleren lag minstens een factor tien boven de maximale snelheid waar tijdens die experimenten sprake van was. Je hebt het immers over dubbelwandige buisjes met een lengte van 20 nm en een binnendiameter van 2,7 nm, watermoleculen die nog een factor 10 kleiner zijn en verschijnselen met een tijdschaal van enkele picoseconden.

De fononen kwamen pas boven water nadat het World Community Grid was ingeschakeld, een door IBM gesponsord netwerk van drie miljoen particuliere computers die bijklussen in hun vrije tijd. Voor het Computing for Clean Water’-project werden de particulieren in kwestie lekker gemaakt door op het belang van schoon drinkwater te wijzen. Uiteindelijk waren bijna 100 miljoen berekeningen nodig.

Het bewijst dat het essentieel is om dit detailniveau aan te houden als je waterfilters op basis van nanobuisjes wilt simuleren. Maar dan kun je het systeem ook dusdanig dimensioneren dat je optimaal van het verschijnsel profiteert.

En de Chinezen speculeren ook al dat fononen wellicht meespelen in aquaporines, de natuurlijke kanaaleiwitten die water door celmembranen pompen.

bron: IBM, Nature Nanotechnology