Όταν το νερό παγιδεύεται σε στενές κοιλότητες νανοκλίμακας, εισέρχεται σε μια ενδιάμεση φάση που δεν είναι ούτε στερεή ούτε υγρή, αλλά κάπου ενδιάμεσα. Αυτό είναι το εύρημα μιας διεθνούς ομάδας ερευνητών που χρησιμοποίησαν τη στατιστική φυσική, την κβαντομηχανική και τη μηχανική μάθηση για να μελετήσουν πώς αλλάζουν οι ιδιότητες του νερού όταν περιορίζεται σε τόσο μικρούς χώρους. Αναλύοντας το διάγραμμα φάσης πίεσης-θερμοκρασίας αυτού του νανοπεριορισμένου νερού, όπως είναι γνωστό, η ομάδα διαπίστωσε ότι παρουσιάζει μια ενδιάμεση «εξατική» φάση και είναι επίσης εξαιρετικά αγώγιμο.
Οι ιδιότητες του νερού στη νανοκλίμακα μπορεί να είναι πολύ διαφορετικές από αυτές που συνδέουμε με το χύμα νερό. Μεταξύ άλλων ασυνήθιστων χαρακτηριστικών, το νερό σε νανοκλίμακα έχει μια ασυνήθιστα χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, ρέει σχεδόν χωρίς τριβή και μπορεί να υπάρχει σε μια τετράγωνη φάση πάγου.
Η μελέτη του νανοπεριορισμένου νερού έχει σημαντικές εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο. Μεγάλο μέρος του νερού στο σώμα μας περιορίζεται σε στενές κοιλότητες, όπως οι χώροι μέσα στα κύτταρα, μεταξύ των μεμβρανών και σε μικρά τριχοειδή αγγεία, σημειώνει ο επικεφαλής της ομάδας Venkat Kapil, θεωρητικός χημικός και επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο. Το ίδιο ισχύει και για το νερό που είναι κλειδωμένο μέσα σε βράχους ή παγιδευμένο σε σκυρόδεμα. Η κατανόηση της συμπεριφοράς αυτού του νερού θα μπορούσε επομένως να είναι κεντρικής σημασίας για τη βιολογία, τη μηχανική και τη γεωλογία. Θα μπορούσε επίσης να είναι σημαντικό για την ανάπτυξη μελλοντικών υδατικών νανοσυσκευών και για εφαρμογές όπως τα νανορευστικά, τα ηλεκτρολυτικά υλικά και η αφαλάτωση του νερού.
Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει τεχνητά υδρόφοβα τριχοειδή αγγεία με διαστάσεις νανοκλίμακας. Αυτό τους επέτρεψε να μετρήσουν τις ιδιότητες του νερού καθώς διέρχεται από κανάλια που είναι τόσο στενά που τα μόρια του νερού δεν έχουν αρκετό χώρο για να εμφανίσουν το συνηθισμένο μοτίβο δεσμών υδρογόνου τους.
Μόλις ένα μόριο πάχος
Στην τελευταία εργασία, ο Kapil και οι συνεργάτες του μελέτησαν νερό παγιδευμένο ανάμεσα σε δύο φύλλα που μοιάζουν με γραφένιο, έτσι ώστε το στρώμα του νερού να έχει πάχος μόνο ενός μορίου. Χρησιμοποιώντας ατομικιστικές προσομοιώσεις, οι οποίες στοχεύουν στη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς όλων των ηλεκτρονίων και των πυρήνων ενός συστήματος, υπολόγισαν το διάγραμμα φάσης πίεσης-θερμοκρασίας του νερού. Αυτό το διάγραμμα, που απεικονίζει τη θερμοκρασία στον έναν άξονα και την πίεση στον άλλο, αποκαλύπτει την πιο σταθερή φάση του νερού σε μια δεδομένη συνθήκη πίεσης-θερμοκρασίας.
«Αυτές οι προσομοιώσεις είναι συνήθως πολύ ακριβές υπολογιστικά, επομένως συνδυάσαμε πολλές προσεγγίσεις αιχμής που βασίζονται στη στατιστική φυσική, την κβαντική μηχανική και τη μηχανική μάθηση για να μειώσουμε αυτό το κόστος», λέει ο Kapil. Κόσμος Φυσικής. «Αυτή η υπολογιστική εξοικονόμηση μας επέτρεψε να προσομοιώσουμε αυστηρά το σύστημα σε διαφορετικές πιέσεις και θερμοκρασίες και να εκτιμήσουμε τις πιο σταθερές φάσεις».
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το νερό με μία στιβάδα μπορεί να υπερηφανεύεται για μια εκπληκτικά ποικίλη συμπεριφορά φάσης που είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στη θερμοκρασία και την πίεση που δρουν εντός του νανοκαναλιού. Σε ορισμένα καθεστώτα, δείχνει μια «εξατική» φάση, η οποία είναι ενδιάμεση μεταξύ στερεού και υγρού, όπως προβλέπεται από τη λεγόμενη θεωρία KTHNY που περιγράφει την τήξη των κρυστάλλων σε 2D περιορισμό. Αυτή η θεωρία κέρδισε τους προγραμματιστές της 2016 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την προώθηση της κατανόησής μας για τη συμπεριφορά φάσης των 2D στερεών.
Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα
Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι το νανοπεριορισμένο νερό γίνεται εξαιρετικά αγώγιμο, με ηλεκτρική αγωγιμότητα 10-1000 φορές υψηλότερη από αυτή των υλικών μπαταρίας. Βρήκαν επίσης ότι παύει να υπάρχει σε μοριακή φάση. «Τα άτομα υδρογόνου αρχίζουν να κινούνται σχεδόν σαν ρευστό μέσα από ένα πλέγμα οξυγόνου, ας πούμε σαν παιδιά που τρέχουν μέσα από έναν λαβύρινθο», εξηγεί ο Kapil. «Αυτό το αποτέλεσμα είναι αξιοσημείωτο, καθώς μια τέτοια συμβατική «ογκώδης» υπεριονική φάση αναμένεται να είναι σταθερή μόνο σε ακραίες συνθήκες όπως το εσωτερικό γιγάντιων πλανητών. Καταφέραμε να το σταθεροποιήσουμε κάτω από ήπιες συνθήκες.
Οι David Thouless, Duncan Haldane και Michael Kosterlitz κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής 2016
«Φαίνεται ότι ο περιορισμός των υλικών σε 2D μπορεί να οδηγήσει σε πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες ή ιδιότητες που παρουσιάζουν οι ομόλογοί τους σε μεγάλο βαθμό μόνο σε ακραίες συνθήκες», συνεχίζει. «Ελπίζουμε ότι η μελέτη μας θα βοηθήσει στην αποκάλυψη νέων υλικών με ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Ο μεγαλύτερος στόχος μας, ωστόσο, είναι να κατανοήσουμε το νερό, ειδικά όταν υπόκειται σε πολύ περίπλοκες συνθήκες όπως μέσα στο σώμα μας».
Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει ερευνητές από το University College London, το Università di Napoli Federico II, το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου και το Πανεπιστήμιο Tohoku, Sendai, ελπίζει τώρα να παρατηρήσει τις φάσεις που έχουν προσομοιώσει σε πειράματα πραγματικού κόσμου. «Μελετούμε επίσης δισδιάστατα υλικά εκτός από εκείνα που μοιάζουν με γραφένιο, καθώς αυτά τα συστήματα θα μπορούσαν κατ' αρχήν να συντεθούν και να μελετηθούν στο εργαστήριο», αποκαλύπτει ο Kapil. «Μια σύγκριση ένας προς έναν με τα πειράματα θα πρέπει επομένως να είναι δυνατή – σταυρωμένα δάχτυλα».
Η παρούσα εργασία περιγράφεται αναλυτικά στο Φύση.
