जब पानी संकीर्ण, नैनोस्केल गुहाओं में फंस जाता है, तो यह एक मध्यवर्ती चरण में प्रवेश करता है जो न तो ठोस होता है और न ही तरल, बल्कि कहीं बीच में होता है। यह शोधकर्ताओं की एक अंतरराष्ट्रीय टीम की खोज है, जिन्होंने सांख्यिकीय भौतिकी, क्वांटम यांत्रिकी और मशीन लर्निंग का उपयोग करके अध्ययन किया कि पानी के गुण कैसे बदलते हैं जब यह इतनी छोटी जगहों में सीमित होता है। इस नैनोकॉन्फिन्ड पानी के दबाव-तापमान चरण आरेख का विश्लेषण करके, जैसा कि ज्ञात है, टीम ने पाया कि यह एक मध्यवर्ती "हेक्सैटिक" चरण प्रदर्शित करता है और अत्यधिक संचालन भी करता है।
नैनोस्केल पर पानी के गुण उन गुणों से बहुत भिन्न हो सकते हैं जिन्हें हम थोक पानी से जोड़ते हैं। अन्य असामान्य विशेषताओं में, नैनोस्केल पानी में एक असामान्य रूप से कम ढांकता हुआ स्थिरांक होता है, लगभग बिना घर्षण के बहता है और एक वर्ग बर्फ के चरण में मौजूद हो सकता है।
नैनोकॉन्फिन्ड पानी के अध्ययन में वास्तविक दुनिया के महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं। हमारे शरीर में अधिकांश पानी संकीर्ण गुहाओं में सीमित है जैसे कि कोशिकाओं के अंदर की जगह, झिल्लियों के बीच और छोटी केशिकाओं में, नोट टीम लीडर वेंकट कपिल, एक सैद्धांतिक रसायनज्ञ और सामग्री वैज्ञानिक, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय, ब्रिटेन. चट्टानों के अंदर बंद या कंक्रीट में फंसे पानी के बारे में भी यही सच है। इसलिए इस पानी के व्यवहार को समझना जीव विज्ञान, इंजीनियरिंग और भूविज्ञान के केंद्र में हो सकता है। यह भविष्य के जलीय नैनो उपकरणों को विकसित करने और नैनोफ्लुइडिक्स, इलेक्ट्रोलाइट सामग्री और पानी के विलवणीकरण जैसे अनुप्रयोगों के लिए भी महत्वपूर्ण हो सकता है।
हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने नैनोस्केल आयामों के साथ कृत्रिम हाइड्रोफोबिक केशिकाओं का निर्माण किया है। इसने उन्हें पानी के गुणों को मापने में सक्षम बनाया है क्योंकि यह चैनलों से होकर गुजरता है जो इतने संकरे होते हैं कि पानी के अणुओं में अपने सामान्य हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न को प्रदर्शित करने के लिए पर्याप्त जगह नहीं होती है।
सिर्फ एक अणु मोटा
नवीनतम काम में, कपिल और उनके सहयोगियों ने दो ग्रेफीन जैसी चादरों के बीच फंसे पानी का अध्ययन किया, जैसे कि पानी की परत सिर्फ एक अणु मोटी थी। परमाणु सिमुलेशन का उपयोग करना, जिसका उद्देश्य एक प्रणाली में सभी इलेक्ट्रॉनों और नाभिक के व्यवहार को मॉडल करना है, उन्होंने पानी के दबाव-तापमान चरण आरेख की गणना की। यह आरेख, जो एक अक्ष पर तापमान और दूसरे पर दबाव प्लॉट करता है, किसी दिए गए दबाव-तापमान की स्थिति में पानी के सबसे स्थिर चरण को प्रकट करता है।
"ये सिमुलेशन आमतौर पर बहुत कम्प्यूटेशनल रूप से महंगे होते हैं, इसलिए हमने इस लागत को कम करने के लिए सांख्यिकीय भौतिकी, क्वांटम यांत्रिकी और मशीन सीखने के आधार पर कई अत्याधुनिक दृष्टिकोणों को जोड़ा," कपिल बताते हैं भौतिकी की दुनिया. "इन कम्प्यूटेशनल बचत ने हमें विभिन्न दबावों और तापमानों पर सिस्टम को सख्ती से अनुकरण करने और सबसे स्थिर चरणों का अनुमान लगाने की अनुमति दी।"
शोधकर्ताओं ने पाया कि मोनोलेयर पानी में आश्चर्यजनक रूप से विविध चरण व्यवहार होता है जो नैनोचैनल के भीतर तापमान और दबाव अभिनय के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है। कुछ व्यवस्थाओं में, यह एक "हेक्सैटिक" चरण दिखाता है, जो तथाकथित केटीएचएनवाई सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी की गई एक ठोस और तरल के बीच मध्यवर्ती है जो 2 डी कारावास में क्रिस्टल के पिघलने का वर्णन करता है। इस सिद्धांत ने अपने डेवलपर्स को अर्जित किया 2016 भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार 2डी ठोस के चरण व्यवहार के बारे में हमारी समझ को आगे बढ़ाने के लिए।
उच्च विद्युत चालकता
शोधकर्ताओं ने पाया कि नैनोकॉन्फिन्ड पानी अत्यधिक संवाहक हो जाता है, जिसकी विद्युत चालकता बैटरी सामग्री की तुलना में 10–1000 गुना अधिक होती है। उन्होंने यह भी पाया कि आणविक चरण में इसका अस्तित्व समाप्त हो जाता है। कपिल बताते हैं, "हाइड्रोजन परमाणु लगभग एक तरल पदार्थ की तरह चलने लगते हैं, हालांकि ऑक्सीजन की जाली होती है, मान लीजिए कि बच्चे भूलभुलैया से भाग रहे हैं।" "यह परिणाम उल्लेखनीय है क्योंकि इस तरह के पारंपरिक 'बल्क' सुपरियोनिक चरण के केवल विशाल ग्रहों के अंदरूनी हिस्सों जैसी चरम स्थितियों में स्थिर होने की उम्मीद है। हम इसे हल्की परिस्थितियों में स्थिर करने में सफल रहे हैं।
डेविड थौलेस, डंकन हाल्डेन और माइकल कोस्टरलिट्ज़ ने भौतिकी के लिए 2016 का नोबेल पुरस्कार जीता
"ऐसा लगता है कि 2 डी में सामग्री को सीमित करने से बहुत ही रोचक गुण या गुण हो सकते हैं जो उनके थोक समकक्ष केवल चरम स्थितियों में प्रदर्शित होते हैं, " उन्होंने जारी रखा। "हमें उम्मीद है कि हमारा अध्ययन दिलचस्प गुणों के साथ नई सामग्री का अनावरण करने में मदद करेगा। हालाँकि, हमारा बड़ा लक्ष्य पानी को समझना है, खासकर जब यह हमारे शरीर के अंदर की तरह बहुत जटिल परिस्थितियों के अधीन हो। ”
टीम, जिसमें यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन, यूनिवर्सिटी डि नेपोली फेडेरिको II, पेकिंग यूनिवर्सिटी और तोहोकू यूनिवर्सिटी, सेंडाई के शोधकर्ता शामिल हैं, अब उन चरणों का निरीक्षण करने की उम्मीद करते हैं जिन्हें उन्होंने वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में अनुकरण किया है। कपिल ने खुलासा किया, "हम ग्रैफेन जैसी सामग्री के अलावा 2डी सामग्री का भी अध्ययन कर रहे हैं क्योंकि इन प्रणालियों को सैद्धांतिक रूप से संश्लेषित और प्रयोगशाला में अध्ययन किया जा सकता है।" "इसलिए प्रयोगों के साथ एक-से-एक तुलना संभव होनी चाहिए - उंगलियों को पार करना।"
वर्तमान कार्य विस्तृत है प्रकृति.
