Elektrik akımlarının iletken bir yüzey üzerinde akan sıvı tarafından üretildiği bilinmektedir, ancak bu fenomene neden olan kesin süreç henüz bilinmemektedir. Yeni araştırmada bir grafen yüzeyi boyunca sürüklenen tek bir sıvı damlası, sıvı-katı arayüzündeki viskoz kuvvetlerin grafen tabakasında elektronları akış yönünde çeken titreşimlere veya fononlara neden olduğunu gösteriyor. Bilim insanları bu “fonon rüzgarı” açıklamasını doğrulamak için çeşitli sıvıları gözlemledi ve grafen yüzeylerini kırışıklı ve kırışıksız olarak test etti. Bulgular, akışlardan elektrik toplayabilen aygıtlar ya da çok hassas akış sensörleriyle sonuçlanabilir.
Araştırmacılar bir maddenin, özellikle de karbon nanotüpler veya grafenin, üzerinden su aktığında elektrik akımları üretebildiğini keşfettiler. Fransa’daki École Normale Supérieure’den Alessandro Siria’ya göre, bu fenomen karbon malzemelerde ortaya çıkıyor çünkü yüzeyler atomik olarak düz ve sıvının sıvı-katı sınırında neredeyse hiç engellenmeden akmasına izin veriyor. Akış kaynaklı akımlar, birçoğu katıdaki elektronlara etki eden sıvıdaki yükleri içeren bir dizi modelle açıklanmıştır. Araştırmacılar, deneysel belirsizlikler nedeniyle hangi modelin en etkili olduğuna karar verememişlerdir.
Siria ve çalışma arkadaşları, sorunun çözümüne yardımcı olmak için tek bir sıvı damlasının grafen yüzey boyunca sürüklendiği bir deney oluşturdu. Siria, tek bir nanodamla çalışırken her parametre bilindiğinden, “ideal bir model konfigürasyonuyla çalışabiliriz ve deneysel bulgular teoriyle daha iyi karşılaştırılabilir” diye açıklıyor. Ekibin düzeneği olarak titreşime duyarlı bir mikroskobun ayar çatalı şeklindeki probuna küçük bir pipet yapıştırıcı ile tutturuldu. Bilim insanları pipetin aşağı bakan ucunda bir damla tutarken probu grafene doğru indirdiler. Daha sonra damlanın malzemeyle ne zaman temas ettiğini ölçmek için çatalın titreşimlerini kullandılar.
Damla daha sonra bir akış hareketini taklit etmek için yatay olarak ileri geri hareket ettirildi. Damla bir yöne gittiğinde, elektrotlar grafende yaklaşık 10 nanoamperlik bir elektrik akımı ve diğer yöne hareket ettiğinde negatif bir akım gördü. Bilim insanları, yüklü moleküllere sahip iyonik bir sıvıdan nötr bir sıvıya geçişin yaratılan akım miktarını önemli ölçüde değiştirmediğini buldular. Bu bulgu, akış kaynaklı akımların sıvı ve katı arasındaki yük etkileşimlerinden önemli ölçüde etkilenmediğini göstermektedir.
Araştırmacılar farklı bir deneyde, kırışıklıkları olan grafen örneklerinin kırışıklığı olmayan örneklerden daha yüksek bir akım kaydettiğini buldular. Bilim insanları bu davranışı tanımlamak için katı bir yüzeye çarpan ve akışla birlikte hareket eden fononlar yaratan sıvı moleküllerin etkisini içeren mikroskobik bir model oluşturdular. Bir toz bulutu üzerindeki rüzgar gibi, bu fononlar momentumlarının bir kısmını grafenin elektronlarına aktarır. Yeni model, kırışıklıkların grafendeki fononları harekete geçiren sıvı-katı çarpışmalarını nasıl arttırdığını açıklıyor ki bu da ilk kez on yıl önce tanımlanan fonon-rüzgar mekanizmasının temelini oluşturuyor.
Akış kaynaklı akımlara dayanan uygulamalar bulgulardan faydalanabilir. Örneğin, bir dizi araştırma grubu, çatı yüzeyinden aşağı kayan yağmur damlaları gibi sıvı hareketlerini elektrik akımlarına dönüştürebilecek enerji toplama araçları geliştirmektedir. Diğerleri ise mikroakışkan cihazların içindeki küçük akışları tespit edebilen karbon bazlı sensörler geliştiriyor. Siria’ya göre bu teknolojiler, karbon yüzeylerinin fonon üretimini artıracak şekilde değiştirilmesiyle geliştirilebilir.
İtalya’daki Uluslararası İleri Araştırmalar Okulu’ndan (SISSA) yoğun madde teorisyeni Erio Tosatti, “Bu çalışma, şimdiye kadar nanoskopik düzeyde hiç ele alınmamış birçok konuda olağanüstü zengin ve eğitici. Akış kaynaklı akımlarda fonon etkileşimlerinin baskınlığı, Çin’deki Tsinghua Üniversitesi’nde nanomekanik araştırmacısı olan Ming Ma’yı ürküttü. Ma’ya göre, bu çalışmada ortaya konan teknik “nano ölçekli akışı kontrol etmeye yardımcı olabilir ve nanoakışkan devrelerin veya elektrokinetik tabanlı güç üretim cihazlarının tasarımında daha fazla kullanılabilir.”
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/26
