Kun vesi jää kapeisiin, nanomittakaavaisiin onteloihin, se siirtyy välifaasiin, joka ei ole kiinteää eikä nestemäistä, vaan jonnekin siltä väliltä. Tämä on kansainvälinen tutkijaryhmä, joka käytti tilastollista fysiikkaa, kvanttimekaniikkaa ja koneoppimista tutkiessaan, miten veden ominaisuudet muuttuvat, kun se on suljettuna niin pieniin tiloihin. Analysoimalla tämän nanosuljetun veden paine-lämpötila-vaihekaaviota, kuten tiedetään, ryhmä havaitsi, että sillä on "heksaattinen" välivaihe ja että se on myös erittäin johtava.
Veden ominaisuudet nanomittakaavassa voivat olla hyvin erilaisia kuin ne, jotka yhdistämme bulkkiveteen. Muiden epätavallisten ominaisuuksien lisäksi nanomittakaavan veden dielektrisyysvakio on epätavallisen pieni, se virtaa lähes kitkattomasti ja voi esiintyä neliömäisessä jääfaasissa.
Nanosuljetun veden tutkimuksella on tärkeitä reaalimaailman sovelluksia. Suuri osa kehomme vedestä on suljettu kapeisiin onteloihin, kuten solujen sisäisiin tiloihin, kalvojen väliin ja pieniin kapillaareihin, tiiminjohtaja huomauttaa. Venkat Kapil, teoreettinen kemisti ja materiaalitutkija Cambridgen yliopisto, Iso-Britannia. Sama koskee kivien sisään lukittua tai betoniin juuttua vettä. Tämän veden käyttäytymisen ymmärtäminen voisi siksi olla keskeistä biologiassa, tekniikassa ja geologiassa. Se voi olla tärkeä myös tulevaisuuden vesipohjaisten nanolaitteiden kehittämisessä ja sovelluksissa, kuten nanofluidiikka, elektrolyyttimateriaalit ja veden suolanpoisto.
Viime vuosina tutkijat ovat valmistaneet keinotekoisia hydrofobisia kapillaareja, joilla on nanomittakaava. Tämä on auttanut heitä mittaamaan veden ominaisuuksia sen kulkiessa kanavien läpi, jotka ovat niin kapeita, että vesimolekyyleillä ei ole tarpeeksi tilaa näyttääkseen tavanomaista vetysidosmalliaan.
Vain yhden molekyylin paksuinen
Uusimmassa työssä Kapil ja kollegat tutkivat vettä, joka oli jäänyt loukkuun kahden grafeenia muistuttavan levyn väliin siten, että vesikerros oli vain yhden molekyylin paksuinen. He laskivat veden paine-lämpötila-vaihekaavion atomistisilla simulaatioilla, joilla pyritään mallintamaan järjestelmän kaikkien elektronien ja ytimien käyttäytymistä. Tämä kaavio, joka kuvaa lämpötilan toiselle akselille ja paineen toiselle, paljastaa stabiilimman vesifaasin tietyssä paine-lämpötila-tilassa.
"Nämä simulaatiot ovat yleensä laskennallisesti erittäin kalliita, joten yhdistimme useita tilastolliseen fysiikkaan, kvanttimekaniikkaan ja koneoppimiseen perustuvia viimeisimpiä lähestymistapoja vähentääksemme näitä kustannuksia", Kapil kertoo. Fysiikan maailma. "Nämä laskennalliset säästöt antoivat meille mahdollisuuden simuloida tarkasti järjestelmää eri paineissa ja lämpötiloissa ja arvioida vakaimmat vaiheet."
Tutkijat havaitsivat, että yksikerroksisella vedellä on yllättävän vaihteleva faasikäyttäytyminen, joka on erittäin herkkä nanokanavan lämpötilalle ja paineelle. Tietyissä järjestelmissä se näyttää "heksaattisen" faasin, joka on kiinteän aineen ja nesteen välissä, kuten niin sanotussa KTHNY-teoriassa ennustetaan, joka kuvaa kiteiden sulamista 2D-rajoituksessa. Tämä teoria ansaitsi kehittäjilleen 2016 Nobelin fysiikan palkinto 2D-kiintoaineiden vaihekäyttäytymisen ymmärtämisen edistämiseksi.
Suuri sähkönjohtavuus
Tutkijat havaitsivat, että nanosuljetusta vedestä tulee erittäin johtavaa, ja sen sähkönjohtavuus on 10–1000 kertaa suurempi kuin akkumateriaalien. He havaitsivat myös, että se lakkaa olemasta molekyylivaiheessa. "Vetyatomit alkavat liikkua melkein kuin neste happihilan läpi, vaikkapa lapset, jotka juoksevat sokkelossa", Kapil selittää. "Tämä tulos on merkittävä, koska tällaisen tavanomaisen "bulkki" superionifaasin odotetaan olevan vakaa vain äärimmäisissä olosuhteissa, kuten jättiläisplaneettojen sisätiloissa. Olemme pystyneet vakauttamaan sen lievissä olosuhteissa.
David Thouless, Duncan Haldane ja Michael Kosterlitz voittivat 2016 fysiikan Nobelin
"Näyttää siltä, että materiaalien sulkeminen 2D-muotoon voi johtaa erittäin mielenkiintoisiin ominaisuuksiin tai ominaisuuksiin, joita niiden bulkkivastineilla on vain äärimmäisissä olosuhteissa", hän jatkaa. ”Toivomme, että tutkimuksemme auttaa paljastamaan uusia materiaaleja, joilla on mielenkiintoisia ominaisuuksia. Suurempi tavoitteemme on kuitenkin ymmärtää vettä, varsinkin kun se on hyvin monimutkaisten olosuhteiden alainen, kuten kehomme sisällä."
Ryhmä, johon kuuluu tutkijoita University College Londonista, Università di Napoli Federico II:sta, Pekingin yliopistosta ja Tohoku Universitystä Sendaista, toivoo nyt tarkkailevansa vaiheita, joita he ovat simuloineet tosielämän kokeissa. "Tutkimme myös muita 2D-materiaaleja kuin grafeenin kaltaisia, koska näitä järjestelmiä voitaisiin periaatteessa syntetisoida ja tutkia laboratoriossa", Kapil paljastaa. "Yksi-yhteen vertailu kokeisiin pitäisi siis olla mahdollista - peukkuja."
Tämä työ on kuvattu yksityiskohtaisesti luonto.
