Kui vesi jääb kitsastesse nanomõõtmelistesse õõnsustesse kinni, satub see vahefaasi, mis ei ole ei tahke ega vedel, vaid kuskil vahepeal. See on rahvusvaheline teadlaste meeskond, kes kasutas statistilist füüsikat, kvantmehaanikat ja masinõpet, et uurida, kuidas vee omadused muutuvad, kui see on piiratud nii väikestes ruumides. Analüüsides selle nanopiiratud vee rõhu-temperatuuri faasidiagrammi, nagu on teada, leidis meeskond, et sellel on vahepealne "heksaatne" faas ja see on ka kõrge juhtivusega.
Vee omadused nanoskaalal võivad olla väga erinevad nendest, mida seostame puisteveega. Muude ebatavaliste omaduste hulgas on nanomõõtmelise vee dielektriline konstant anomaalselt madal, see voolab peaaegu hõõrdumiseta ja võib eksisteerida ruudukujulises jääfaasis.
Nanopiiratud vee uurimisel on olulisi reaalseid rakendusi. Suur osa veest meie kehas on piiratud kitsastesse õõnsustesse, nagu rakkude sees, membraanide vahel ja väikestes kapillaarides, märgib meeskonna juht. Venkat Kapil, teoreetiline keemik ja materjaliteadlane Cambridge'i ülikool, Suurbritannia. Sama kehtib kivide sisse lukustatud või betooni sisse jäänud vee kohta. Selle vee käitumise mõistmine võib seetõttu olla bioloogias, inseneriteaduses ja geoloogias kesksel kohal. See võib olla oluline ka tulevaste veepõhiste nanoseadmete väljatöötamisel ja selliste rakenduste jaoks nagu nanofluidika, elektrolüütide materjalid ja vee magestamine.
Viimastel aastatel on teadlased valmistanud kunstlikke hüdrofoobseid nanomõõtmetega kapillaare. See on võimaldanud neil mõõta vee omadusi, kui see läbib kanaleid, mis on nii kitsad, et veemolekulidel ei ole piisavalt ruumi oma tavapärase vesiniksideme mustri kuvamiseks.
Ainult ühe molekuli paksune
Viimases töös uurisid Kapil ja kolleegid kahe grafeenitaolise lehe vahele jäävat vett, nii et veekiht oli vaid ühe molekuli paksune. Kasutades atomistlikke simulatsioone, mille eesmärk on modelleerida kõigi süsteemi elektronide ja tuumade käitumist, arvutasid nad välja vee rõhu-temperatuuri faasidiagrammi. See diagramm, mis kujutab temperatuuri ühel teljel ja rõhku teisel teljel, näitab vee kõige stabiilsemat faasi antud rõhu-temperatuuri tingimustes.
"Need simulatsioonid on tavaliselt arvutuslikult väga kallid, nii et selle kulude vähendamiseks kombineerisime palju uusimaid statistilisel füüsikal, kvantmehaanil ja masinõppel põhinevaid lähenemisviise," räägib Kapil. Füüsika maailm. "Need arvutuslikud säästud võimaldasid meil süsteemi rangelt simuleerida erinevatel rõhkudel ja temperatuuridel ning hinnata kõige stabiilsemaid faase."
Uurijad leidsid, et ühekihiline vesi on üllatavalt mitmekesise faasi käitumisega, mis on väga tundlik nanokanalis toimiva temperatuuri ja rõhu suhtes. Teatud režiimides näitab see "heksaatilist" faasi, mis on tahke ja vedeliku vahepealne, nagu ennustab niinimetatud KTHNY teooria, mis kirjeldab kristallide sulamist 2D-vangistuses. See teooria teenis selle arendajatele 2016. aasta Nobeli füüsikaauhind 2D tahkete ainete faasikäitumise mõistmise edendamiseks.
Kõrge elektrijuhtivus
Uurijad täheldasid, et nanopiiratud vesi muutub väga juhtivaks ja selle elektrijuhtivus on 10–1000 korda kõrgem kui aku materjalidel. Samuti leidsid nad, et see lakkab eksisteerimast molekulaarses faasis. "Vesinikuaatomid hakkavad hapnikuvõre kaudu liikuma peaaegu nagu vedelik, näiteks nagu lapsed, kes jooksevad läbi labürindi," selgitab Kapil. "See tulemus on tähelepanuväärne, kuna selline tavapärane" hulgi" superioonfaas on eeldatavasti stabiilne ainult ekstreemsetes tingimustes, näiteks hiiglaslike planeetide sisemuses. Oleme suutnud selle leebetes tingimustes stabiliseerida.
David Thouless, Duncan Haldane ja Michael Kosterlitz võitsid 2016. aasta Nobeli füüsikaauhinna
"Tundub, et materjalide piiramine 2D-vormingus võib kaasa tuua väga huvitavaid omadusi või omadusi, mida nende massilised kolleegid näitavad ainult äärmuslikes tingimustes," jätkab ta. "Loodame, et meie uuring aitab avada uusi huvitavate omadustega materjale. Meie suurem eesmärk on aga mõista vett, eriti kui see on allutatud väga keerukatele tingimustele, nagu meie keha sees.
Meeskond, kuhu kuuluvad Londoni ülikooli kolledži, Università di Napoli Federico II, Pekingi ülikooli ja Sendai Tohoku ülikooli teadlased, loodab nüüd jälgida faase, mida nad on reaalsetes katsetes simuleerinud. "Uurime ka muid 2D materjale peale grafeenitaoliste, kuna põhimõtteliselt saab neid süsteeme sünteesida ja laboris uurida," paljastab Kapil. "Seetõttu peaks olema võimalik üks-ühele võrdlus katsetega – pöialt."
Käesolevat tööd on üksikasjalikult kirjeldatud loodus.
