Wenn Wasser in engen, nanoskaligen Hohlräumen eingeschlossen ist, tritt es in eine Zwischenphase ein, die weder fest noch flüssig ist, sondern irgendwo dazwischen. Dies ist das Ergebnis eines internationalen Forscherteams, das mithilfe von statistischer Physik, Quantenmechanik und maschinellem Lernen untersucht hat, wie sich die Eigenschaften von Wasser ändern, wenn es auf so engem Raum eingeschlossen ist. Durch die Analyse des Druck-Temperatur-Phasendiagramms dieses so genannten nanobegrenzten Wassers fand das Team heraus, dass es eine „hexatische“ Zwischenphase aufweist und auch hochgradig leitend ist.
Die Eigenschaften von Wasser im Nanomaßstab können sich sehr von denen unterscheiden, die wir mit Wasser in großen Mengen in Verbindung bringen. Nanoskaliges Wasser hat unter anderem eine ungewöhnlich niedrige Dielektrizitätskonstante, fließt fast ohne Reibung und kann in einer quadratischen Eisphase existieren.
Die Untersuchung von nanobegrenztem Wasser hat wichtige Anwendungen in der realen Welt. Ein Großteil des Wassers in unserem Körper ist in engen Hohlräumen wie den Räumen innerhalb von Zellen, zwischen Membranen und in kleinen Kapillaren eingeschlossen, bemerkt der Teamleiter Venkat Kapil, theoretischer Chemiker und Materialwissenschaftler an der Universität Cambridge, UK. Dasselbe gilt für Wasser, das in Felsen eingeschlossen oder in Beton eingeschlossen ist. Das Verständnis des Verhaltens dieses Wassers könnte daher von zentraler Bedeutung für Biologie, Ingenieurwesen und Geologie sein. Es könnte auch für die Entwicklung zukünftiger wässriger Nanogeräte und für Anwendungen wie Nanofluidik, Elektrolytmaterialien und Wasserentsalzung wichtig sein.
In den letzten Jahren haben Forscher künstliche hydrophobe Kapillaren mit Abmessungen im Nanomaßstab hergestellt. Dadurch konnten sie die Eigenschaften von Wasser messen, wenn es durch Kanäle fließt, die so eng sind, dass Wassermoleküle nicht genug Platz haben, um ihr übliches Wasserstoffbindungsmuster zu zeigen.
Nur ein Molekül dick
In der neuesten Arbeit untersuchten Kapil und Kollegen Wasser, das zwischen zwei graphenähnlichen Schichten eingeschlossen war, sodass die Wasserschicht nur ein Molekül dick war. Mithilfe atomistischer Simulationen, die darauf abzielen, das Verhalten aller Elektronen und Kerne in einem System zu modellieren, berechneten sie das Druck-Temperatur-Phasendiagramm des Wassers. Dieses Diagramm, das auf der einen Achse die Temperatur und auf der anderen den Druck darstellt, zeigt die stabilste Wasserphase bei einem gegebenen Druck-Temperatur-Zustand.
„Diese Simulationen sind normalerweise sehr rechenintensiv, daher haben wir viele hochmoderne Ansätze basierend auf statistischer Physik, Quantenmechanik und maschinellem Lernen kombiniert, um diese Kosten zu reduzieren“, sagt Kapil Physik-Welt. „Diese Recheneinsparungen ermöglichten es uns, das System bei verschiedenen Drücken und Temperaturen rigoros zu simulieren und die stabilsten Phasen abzuschätzen.“
Die Forscher fanden heraus, dass Monolayer-Wasser ein überraschend vielfältiges Phasenverhalten aufweist, das sehr empfindlich auf Temperatur und Druck reagiert, die innerhalb des Nanokanals wirken. In bestimmten Regimen zeigt es eine „hexatische“ Phase, die zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit liegt, wie von der sogenannten KTHNY-Theorie vorhergesagt, die das Schmelzen von Kristallen im 2D-Einschluss beschreibt. Diese Theorie brachte ihren Entwicklern das ein 2016 Nobelpreis für Physik zur Erweiterung unseres Verständnisses des Phasenverhaltens von 2D-Körpern.
Hohe elektrische Leitfähigkeit
Die Forscher beobachteten, dass nanobegrenztes Wasser hoch leitfähig wird, mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die 10–1000-mal höher ist als die von Batteriematerialien. Sie fanden auch heraus, dass es in einer molekularen Phase nicht mehr existiert. „Die Wasserstoffatome beginnen sich fast wie eine Flüssigkeit durch ein Sauerstoffgitter zu bewegen, etwa wie Kinder, die durch ein Labyrinth laufen“, erklärt Kapil. „Dieses Ergebnis ist bemerkenswert, da man von einer solchen konventionellen superionischen ‚Bulk‘-Phase erwartet, dass sie nur unter extremen Bedingungen wie im Inneren von Riesenplaneten stabil ist. Wir konnten es unter milden Bedingungen stabilisieren.
David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz erhalten 2016 den Nobelpreis für Physik
„Es sieht so aus, als ob das Einschließen von Materialien in 2D zu sehr interessanten Eigenschaften oder Eigenschaften führen kann, die ihre Massengegenstücke nur unter extremen Bedingungen aufweisen“, fährt er fort. „Wir hoffen, dass unsere Studie dazu beitragen wird, neue Materialien mit interessanten Eigenschaften zu enthüllen. Unser größeres Ziel ist es jedoch, Wasser zu verstehen, insbesondere wenn es sehr komplexen Bedingungen wie in unserem Körper ausgesetzt ist.“
Das Team, dem Forscher des University College London, der Università di Napoli Federico II, der Peking University und der Tohoku University, Sendai, angehören, hofft nun, die simulierten Phasen in realen Experimenten beobachten zu können. „Wir untersuchen auch andere 2D-Materialien als graphenähnliche, da diese Systeme im Prinzip im Labor synthetisiert und untersucht werden könnten“, verrät Kapil. „Ein Eins-zu-eins-Vergleich mit Experimenten sollte also möglich sein – Daumen drücken.“
Die vorliegende Arbeit ist detailliert in Natur.
