عندما يكون الماء محاصرًا في تجاويف نانوية ضيقة ، فإنه يدخل في مرحلة وسيطة ليست صلبة ولا سائلة ، ولكن في مكان ما بينهما. هذا ما توصل إليه فريق دولي من الباحثين الذين استخدموا الفيزياء الإحصائية وميكانيكا الكم والتعلم الآلي لدراسة كيفية تغير خصائص المياه عندما تكون محصورة في مثل هذه المساحات الصغيرة. من خلال تحليل الرسم التخطيطي لمرحلة الضغط ودرجة الحرارة لهذه المياه المحصورة بالنانو ، كما هو معروف ، وجد الفريق أنها تعرض مرحلة "سداسية" وسيطة وهي أيضًا عالية التوصيل.
يمكن أن تكون خصائص الماء على المقياس النانوي مختلفة تمامًا عن تلك التي نربطها بالمياه السائبة. من بين الميزات الأخرى غير العادية ، يحتوي الماء النانوي على ثابت عازل منخفض بشكل غير طبيعي ، ويتدفق بدون احتكاك تقريبًا ويمكن أن يوجد في طور جليدي مربع.
دراسة المياه المحصورة بالنانو لها تطبيقات مهمة في العالم الحقيقي. يلاحظ قائد الفريق أن الكثير من الماء في أجسامنا محصور في تجاويف ضيقة مثل الفراغات داخل الخلايا ، وبين الأغشية وفي الشعيرات الدموية الصغيرة. فينكات كابيل، الكيميائي النظري وعالم المواد في جامعة كامبردج ، المملكة المتحدة. وينطبق الشيء نفسه على الماء المحبوس داخل الصخور أو المحاصر في الخرسانة. لذلك يمكن أن يكون فهم سلوك هذه المياه أمرًا محوريًا في علم الأحياء والهندسة والجيولوجيا. يمكن أن يكون مهمًا أيضًا لتطوير الأجهزة النانوية المائية المستقبلية ولتطبيقات مثل الموائع النانوية والمواد المنحل بالكهرباء وتحلية المياه.
في السنوات الأخيرة ، صنع الباحثون شعيرات دموية اصطناعية كارهة للماء بأبعاد نانوية. وقد مكنهم ذلك من قياس خصائص الماء أثناء مروره عبر قنوات ضيقة جدًا بحيث لا تحتوي جزيئات الماء على مساحة كافية لعرض نمط الترابط الهيدروجيني المعتاد.
بسماكة جزيء واحد فقط
في العمل الأخير ، درس Kapil وزملاؤه الماء المحاصر بين لوحين يشبهان الجرافين ، بحيث كانت طبقة الماء بسماكة جزيء واحد فقط. باستخدام المحاكاة الذرية ، التي تهدف إلى نمذجة سلوك جميع الإلكترونات والنوى في النظام ، قاموا بحساب مخطط طور ضغط ودرجة حرارة الماء. يوضح هذا الرسم البياني ، الذي يرسم درجة الحرارة على أحد المحاور والضغط على المحور الآخر ، المرحلة الأكثر استقرارًا للمياه في حالة ضغط ودرجة حرارة معينة.
يقول كابيل: "عادةً ما تكون عمليات المحاكاة هذه مكلفة للغاية من الناحية الحسابية ، لذلك قمنا بدمج العديد من الأساليب الحديثة القائمة على الفيزياء الإحصائية وميكانيكا الكم والتعلم الآلي لتقليل هذه التكلفة" عالم الفيزياء. "سمحت لنا هذه الوفورات الحسابية بمحاكاة النظام بدقة عند مستويات ضغوط ودرجات حرارة مختلفة وتقدير أكثر المراحل استقرارًا."
وجد الباحثون أن الماء أحادي الطبقة يتميز بسلوك طور متنوع بشكل مدهش وهو شديد الحساسية لدرجة الحرارة والضغط الذي يعمل داخل القناة النانوية. في بعض الأنظمة ، يُظهر الطور "السداسي" ، وهو مرحلة وسيطة بين مادة صلبة وسائلة كما تنبأ بها ما يسمى بنظرية KTHNY التي تصف ذوبان البلورات في الحبس ثنائي الأبعاد. أكسبت هذه النظرية مطوريها لقب 2016 جائزة نوبل في الفيزياء لتعزيز فهمنا لسلوك طور المواد الصلبة ثنائية الأبعاد.
موصلية كهربائية عالية
لاحظ الباحثون أن المياه المحصورة بالنانو تصبح عالية التوصيل ، مع موصلية كهربائية أعلى بمقدار 10-1000 مرة من تلك الموجودة في مواد البطاريات. ووجدوا أيضًا أنه لم يعد موجودًا في المرحلة الجزيئية. يوضح كابيل: "تبدأ ذرات الهيدروجين في التحرك تقريبًا مثل سائل من خلال شبكة من الأكسجين ، مثل الأطفال الذين يركضون عبر متاهة". "هذه النتيجة رائعة لأن مثل هذه المرحلة الفائقة" الحجمية "التقليدية من المتوقع أن تكون مستقرة فقط في الظروف القاسية مثل الأجزاء الداخلية للكواكب العملاقة. لقد تمكنا من تحقيق الاستقرار في ظل ظروف معتدلة.
ديفيد ثوليس ودنكان هالدين ومايكل كوسترليتس يفوزون بجائزة نوبل للفيزياء لعام 2016
ويضيف: "يبدو أن حصر المواد في 2D يمكن أن يؤدي إلى خصائص أو خصائص مثيرة للغاية لا تظهرها نظيراتها السائبة إلا في الظروف القاسية". نأمل أن تساعد دراستنا في الكشف عن مواد جديدة ذات خصائص مثيرة للاهتمام. ومع ذلك ، فإن هدفنا الأكبر هو فهم الماء ، خاصة عندما يخضع لظروف معقدة للغاية مثل داخل أجسامنا ".
يأمل الفريق ، الذي يضم باحثين من كلية لندن الجامعية ، وجامعة نابولي فيديريكو الثانية ، وجامعة بكين وجامعة توهوكو ، سينداي ، في مراقبة المراحل التي قاموا بمحاكاتها في تجارب العالم الحقيقي. يكشف كابيل: "نحن ندرس أيضًا مواد ثنائية الأبعاد غير تلك التي تشبه الجرافين حيث يمكن من حيث المبدأ تصنيع هذه الأنظمة ودراستها في المختبر". "لذلك يجب أن تكون المقارنة مع التجارب ممكنة - الأصابع متقاطعة."
العمل الحالي مفصل في الطبيعة.
