هنگامی که آب در حفره های باریک و نانومقیاس به دام می افتد، وارد فاز میانی می شود که نه جامد و نه مایع است، بلکه جایی در میان است. این یافته یک تیم بین‌المللی از محققان است که از فیزیک آماری، مکانیک کوانتومی و یادگیری ماشین برای بررسی چگونگی تغییر خواص آب هنگامی که در چنین فضاهای کوچکی محصور می‌شود، استفاده کردند. با تجزیه و تحلیل نمودار فاز فشار-دمای این آب نانومحصور، همانطور که مشخص است، تیم دریافتند که فاز «هگزاتیک» میانی را نشان می‌دهد و همچنین رسانایی بالایی دارد.
خواص آب در مقیاس نانو می تواند بسیار متفاوت از خواصی باشد که ما با آب فله مرتبط می کنیم. در میان دیگر ویژگی‌های غیرمعمول، آب در مقیاس نانو دارای یک ثابت دی الکتریک غیرعادی پایین است، تقریباً بدون اصطکاک جریان دارد و می‌تواند در فاز یخ مربعی وجود داشته باشد.
مطالعه نانو آب محصور شده کاربردهای مهمی در دنیای واقعی دارد. رهبر تیم خاطرنشان می کند که بیشتر آب بدن ما در حفره های باریک مانند فضاهای داخل سلول ها، بین غشاها و در مویرگ های کوچک محدود می شود. ونکات کاپیل، شیمیدان نظری و دانشمند مواد در دانشگاه کمبریج، انگلستان. همین امر در مورد آبی که در داخل سنگ ها قفل شده یا در بتن محبوس شده است صادق است. بنابراین درک رفتار این آب می تواند در زیست شناسی، مهندسی و زمین شناسی نقشی اساسی داشته باشد. همچنین می‌تواند برای توسعه نانودستگاه‌های آبی و کاربردهایی مانند نانوسیال‌ها، مواد الکترولیت و نمک‌زدایی آب مهم باشد.
در سال های اخیر، محققان مویرگ های مصنوعی آبگریز با ابعاد نانو ساخته اند. این به آنها این امکان را می‌دهد تا خواص آب را هنگام عبور از کانال‌هایی که آنقدر باریک هستند اندازه‌گیری کنند که مولکول‌های آب فضای کافی برای نمایش الگوی پیوند هیدروژنی معمول خود را ندارند.
فقط یک مولکول ضخامت دارد
در آخرین کار، کاپیل و همکارانش آب محبوس شده بین دو ورقه گرافن مانند را مطالعه کردند، به طوری که لایه آب فقط یک مولکول ضخامت داشت. آنها با استفاده از شبیه‌سازی‌های اتمی، که هدف آن مدل‌سازی رفتار تمام الکترون‌ها و هسته‌های یک سیستم است، نمودار فاز فشار و دمای آب را محاسبه کردند. این نمودار که دما را بر روی یک محور و فشار را در محور دیگر ترسیم می کند، پایدارترین فاز آب را در یک شرایط فشار-دمای معین نشان می دهد.
کاپیل می‌گوید: «این شبیه‌سازی‌ها معمولاً از نظر محاسباتی بسیار گران هستند، بنابراین ما بسیاری از روش‌های پیشرفته مبتنی بر فیزیک آماری، مکانیک کوانتومی و یادگیری ماشین را برای کاهش این هزینه ترکیب کردیم. دنیای فیزیک. این صرفه جویی های محاسباتی به ما این امکان را می دهد که سیستم را در فشارها و دماهای مختلف به دقت شبیه سازی کنیم و پایدارترین فازها را تخمین بزنیم.
محققان دریافتند که آب تک لایه دارای یک رفتار فاز متفاوت است که به دما و فشار وارد شده در نانوکانال بسیار حساس است. در رژیم‌های خاص، فاز «هگزاتیک» را نشان می‌دهد، که حدواسط بین جامد و مایع است که توسط نظریه به اصطلاح KTHNY پیش‌بینی می‌شود که ذوب کریستال‌ها را در حبس دوبعدی توصیف می‌کند. این نظریه توسعه دهندگان خود را به دست آورد جایزه نوبل فیزیک 2016 برای پیشرفت درک ما از رفتار فاز جامدات دو بعدی.
هدایت الکتریکی بالا
محققان مشاهده کردند که آب نانومحدود رسانایی بالایی دارد و رسانایی الکتریکی آن 10 تا 1000 برابر بیشتر از مواد باتری است. آنها همچنین دریافتند که در یک فاز مولکولی دیگر وجود ندارد. کاپیل توضیح می‌دهد: «اتم‌های هیدروژن تقریباً مانند یک سیال از شبکه‌ای از اکسیژن شروع به حرکت می‌کنند، مثلاً مانند بچه‌هایی که در پیچ و خم می‌روند». این نتیجه قابل توجه است زیرا انتظار می رود که چنین فاز ابریونی «توده» معمولی فقط در شرایط شدید مانند فضای داخلی سیارات غول پیکر پایدار باشد. در شرایط ملایم توانسته ایم آن را تثبیت کنیم.
دیوید تولس، دانکن هالدان و مایکل کوسترلیتز برنده جایزه نوبل فیزیک 2016 شدند.
او ادامه می‌دهد: «به نظر می‌رسد محصور کردن مواد در دو بعدی می‌تواند به خواص یا ویژگی‌های بسیار جالبی منجر شود که همتایان عمده آنها فقط در شرایط شدید از خود نشان می‌دهند. ما امیدواریم که مطالعه ما به کشف مواد جدید با خواص جالب کمک کند. با این حال، هدف بزرگ‌تر ما درک آب است، به‌ویژه زمانی که تحت شرایط بسیار پیچیده‌ای مانند داخل بدن ما قرار دارد.»
این تیم که شامل محققانی از کالج دانشگاه لندن، دانشگاه ناپولی فدریکو دوم، دانشگاه پکن و دانشگاه توهوکو، سندای است، اکنون امیدوار است مراحلی را که در آزمایش‌های دنیای واقعی شبیه‌سازی کرده‌اند، مشاهده کنند. کاپیل می گوید: «ما همچنین در حال مطالعه مواد دو بعدی به غیر از مواد گرافن مانند هستیم، زیرا این سیستم ها در اصل می توانند در آزمایشگاه سنتز و مطالعه شوند. بنابراین مقایسه یک به یک با آزمایش‌ها باید امکان پذیر باشد.
کار حاضر به تفصیل در طبیعت.
