Amikor a víz szűk, nanoméretű üregekbe záródik, egy köztes fázisba kerül, amely nem szilárd és nem folyékony, hanem valahol a kettő között van. Ez a megállapítás egy nemzetközi kutatócsoportnak, akik statisztikai fizika, kvantummechanika és gépi tanulás segítségével vizsgálták, hogyan változnak a víz tulajdonságai, ha ilyen kis helyeken van bezárva. Ennek a nanozárt víznek a nyomás-hőmérséklet fázisdiagramját elemezve, amint az ismeretes, a csapat azt találta, hogy közbenső „hexatikus” fázist mutat, és emellett nagyon vezető is.
A víz nanoméretű tulajdonságai nagyon eltérhetnek attól, amit az ömlesztett vízhez társítunk. Egyéb szokatlan tulajdonságok mellett a nanoméretű víz anomálisan alacsony dielektromos állandóval rendelkezik, szinte súrlódás nélkül folyik, és négyzet alakú jégfázisban is létezhet.
A nanozárt víz tanulmányozásának fontos valós alkalmazásai vannak. A testünkben lévő víz nagy része szűk üregekbe van bezárva, például a sejtek belsejében, a membránok között és a kis kapillárisokban, jegyzi meg a csapat vezetője. Venkat Kapil, elméleti kémikus és anyagtudós a Cambridge-i Egyetem, Egyesült Királyság. Ugyanez vonatkozik a sziklákba zárt vagy betonba zárt vízre is. Ennek a víznek a viselkedésének megértése ezért központi szerepet tölthet be a biológia, a mérnöki és a geológia szempontjából. Fontos lehet a jövőbeni vizes nanoeszközök fejlesztése és az olyan alkalmazások esetében is, mint a nanofluidika, az elektrolit anyagok és a víz sótalanítása.
Az elmúlt években a kutatók nanoméretű méretű mesterséges hidrofób kapillárisokat készítettek. Ez lehetővé tette számukra, hogy megmérjék a víz tulajdonságait, amint az olyan keskeny csatornákon halad át, hogy a vízmolekuláknak nincs elég helyük a szokásos hidrogénkötési mintázat megjelenítéséhez.
Csak egy molekula vastag
A legújabb munkában Kapil és munkatársai azt vizsgálták, hogy a víz két grafénszerű lap közé szorult, így a vízréteg mindössze egy molekula vastagságú volt. Atomisztikus szimulációkkal, amelyek célja az összes elektron és atommag viselkedésének modellezése egy rendszerben, kiszámították a víz nyomás-hőmérséklet fázisdiagramját. Ez a diagram, amely az egyik tengelyen a hőmérsékletet, a másikon a nyomást ábrázolja, megmutatja a víz legstabilabb fázisát egy adott nyomás-hőmérséklet körülmény között.
„Ezek a szimulációk általában számításilag nagyon költségesek, ezért számos korszerű, statisztikai fizikán, kvantummechanikán és gépi tanuláson alapuló megközelítést kombináltunk, hogy csökkentsük ezt a költséget” – mondja Kapil. Fizika Világa. "Ezek a számítási megtakarítások lehetővé tették számunkra, hogy szigorúan szimuláljuk a rendszert különböző nyomásokon és hőmérsékleteken, és megbecsüljük a legstabilabb fázisokat."
A kutatók azt találták, hogy az egyrétegű víz meglepően változatos fázisviselkedéssel büszkélkedhet, amely nagyon érzékeny a nanocsatornán belül ható hőmérsékletre és nyomásra. Bizonyos rezsimekben „hexatikus” fázist mutat, amely a szilárd és a folyékony halmazállapotú közti fázis, ahogy azt az úgynevezett KTHNY-elmélet jósolja, amely leírja a kristályok olvadását 2D-s zártságban. Ez az elmélet kiérdemelte a fejlesztők a 2016-es fizikai Nobel-díj a 2D szilárdtestek fázisviselkedésének jobb megértéséhez.
Magas elektromos vezetőképesség
A kutatók megfigyelték, hogy a nanozárt víz erősen vezetőképessé válik, elektromos vezetőképessége 10-1000-szer nagyobb, mint az akkumulátor anyagoké. Azt is megállapították, hogy molekuláris fázisban megszűnik létezni. „A hidrogénatomok szinte folyadékként kezdenek mozogni egy oxigénrácson keresztül, mondjuk úgy, mint a labirintuson átfutó gyerekek” – magyarázza Kapil. „Ez az eredmény figyelemre méltó, mivel egy ilyen hagyományos „tömeges” szuperionos fázis várhatóan csak extrém körülmények között lesz stabil, mint például az óriásbolygók belsejében. Enyhe körülmények között sikerült stabilizálni.
David Thouless, Duncan Haldane és Michael Kosterlitz kapja a 2016-os fizikai Nobel-díjat
"Úgy tűnik, hogy az anyagok 2D-ben való bezárása nagyon érdekes tulajdonságokhoz vezethet, vagy olyan tulajdonságokhoz vezethet, amelyek ömlesztett társaik csak extrém körülmények között mutatkoznak meg" - folytatja. „Reméljük, hogy tanulmányunk segít új, érdekes tulajdonságokkal rendelkező anyagok feltárásában. Nagyobb célunk azonban az, hogy megértsük a vizet, különösen akkor, ha nagyon összetett feltételeknek van kitéve, mint például a testünkön belül.”
A londoni University College, az Università di Napoli Federico II, a Pekingi Egyetem és a Sendai Tohoku Egyetem kutatóiból álló csapat most azt reméli, hogy megfigyelhetik az általuk szimulált fázisokat a valós kísérletekben. „A grafénszerű anyagokon kívül más 2D-s anyagokat is tanulmányozunk, mivel ezek a rendszerek elvileg szintetizálhatók és laboratóriumban is tanulmányozhatók” – árulta el Kapil. „Ezért lehetővé kell tenni a kísérletekkel való egy-egy összehasonlítást – tegyük össze az ujjakat.”
A jelen munka részletesen a Természet.
