Når vand er fanget i snævre hulrum på nanoskala, går det ind i en mellemfase, der hverken er fast eller flydende, men et sted midt imellem. Det er konstateringen af et internationalt hold af forskere, der brugte statistisk fysik, kvantemekanik og maskinlæring til at studere, hvordan vandets egenskaber ændrer sig, når det er indespærret i så små rum. Ved at analysere tryk-temperatur-fasediagrammet for dette nanobegrænsede vand, som det er kendt, fandt holdet, at det udviser en mellemliggende "hexatisk" fase og også er stærkt ledende.
Vandets egenskaber på nanoskala kan være meget forskellige fra dem, vi forbinder med bulkvand. Blandt andre usædvanlige egenskaber har vand i nanoskala en unormalt lav dielektrisk konstant, flyder næsten friktionsfrit og kan eksistere i en firkantet isfase.
Studiet af nanobundet vand har vigtige anvendelser i den virkelige verden. Meget af vandet i vores kroppe er indespærret i snævre hulrum såsom rummene inde i celler, mellem membraner og i små kapillærer, bemærker teamlederen. Venkat Kapil, en teoretisk kemiker og materialeforsker ved University of Cambridge, UK. Det samme gælder vand, der er låst inde i sten eller fanget i beton. At forstå dette vands adfærd kunne derfor være centralt for biologi, teknik og geologi. Det kan også være vigtigt for udvikling af fremtidige vandige nanoenheder og til applikationer som nanofluidik, elektrolytmaterialer og vandafsaltning.
I de senere år har forskere fremstillet kunstige hydrofobe kapillærer med nanoskala dimensioner. Dette har gjort det muligt for dem at måle egenskaberne af vand, når det passerer gennem kanaler, der er så smalle, at vandmolekyler ikke har plads nok til at vise deres sædvanlige hydrogenbindingsmønster.
Kun et molekyle tykt
I det seneste arbejde studerede Kapil og kolleger vand fanget mellem to grafenlignende plader, sådan at vandlaget kun var et molekyle tykt. Ved hjælp af atomistiske simuleringer, som har til formål at modellere opførselen af alle elektroner og kerner i et system, beregnede de vandets tryk-temperatur fasediagram. Dette diagram, som plotter temperatur på den ene akse og tryk på den anden, afslører den mest stabile fase af vand ved en given tryk-temperatur-tilstand.
"Disse simuleringer er normalt meget beregningsmæssigt dyre, så vi kombinerede mange state-of-the-art tilgange baseret på statistisk fysik, kvantemekanik og maskinlæring for at reducere disse omkostninger," fortæller Kapil Fysik verden. "Disse beregningsbesparelser gav os mulighed for strengt at simulere systemet ved forskellige tryk og temperaturer og estimere de mest stabile faser."
Forskerne fandt ud af, at enkeltlagsvand har en overraskende varieret faseadfærd, der er meget følsom over for temperatur og tryk, der virker i nanokanalen. I visse regimer viser den en "hexatisk" fase, som er mellemliggende mellem et fast stof og væske, som forudsagt af den såkaldte KTHNY-teori, der beskriver smeltningen af krystaller i 2D-indeslutning. Denne teori tjente sine udviklere til 2016 Nobelprisen i fysik for at fremme vores forståelse af faseadfærden af 2D-faststoffer.
Høj elektrisk ledningsevne
Forskerne observerede, at nanobundet vand bliver stærkt ledende med en elektrisk ledningsevne 10-1000 gange højere end batterimaterialers. De fandt også ud af, at det ophører med at eksistere i en molekylær fase. "Brintatomerne begynder at bevæge sig næsten som en væske gennem et gitter af ilt, for eksempel som børn, der løber gennem en labyrint," forklarer Kapil. "Dette resultat er bemærkelsesværdigt, eftersom en sådan konventionel 'bulk' superionisk fase kun forventes at være stabil under ekstreme forhold som det indre af gigantiske planeter. Vi har været i stand til at stabilisere det under milde forhold.
David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz vinder 2016 Nobelprisen i fysik
"Det ser ud til, at begrænsning af materialer i 2D kan føre til meget interessante egenskaber eller egenskaber, som deres bulk-modstykker kun udviser under ekstreme forhold," fortsætter han. "Vi håber, at vores undersøgelse vil hjælpe med at afsløre nye materialer med interessante egenskaber. Vores større mål er imidlertid at forstå vand, især når det er underlagt meget komplekse forhold som inde i vores kroppe."
Holdet, som omfatter forskere fra University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University og Tohoku University, Sendai, håber nu at kunne observere de faser, de har simuleret i eksperimenter fra den virkelige verden. "Vi studerer også andre 2D-materialer end grafen-lignende, da disse systemer i princippet kunne syntetiseres og studeres i laboratoriet," afslører Kapil. "En en-til-en sammenligning med eksperimenter burde derfor være mulig - krydser fingre."
Nærværende arbejde er detaljeret i Natur.
