Ketika air terperangkap dalam rongga sempit berskala nano, ia memasuki fase perantara yang tidak padat atau cair, tetapi di suatu tempat di antaranya. Ini adalah temuan tim peneliti internasional yang menggunakan fisika statistik, mekanika kuantum, dan pembelajaran mesin untuk mempelajari bagaimana sifat-sifat air berubah ketika terkurung dalam ruang kecil seperti itu. Dengan menganalisis diagram fase tekanan-suhu air nanoconfined ini, seperti diketahui, tim menemukan bahwa ia menunjukkan fase "heksatis" menengah dan juga sangat konduktif.
Sifat air pada skala nano bisa sangat berbeda dari yang kita kaitkan dengan air curah. Di antara fitur yang tidak biasa lainnya, air skala nano memiliki konstanta dielektrik yang sangat rendah, mengalir hampir tanpa gesekan dan dapat eksis dalam fase es persegi.
Studi tentang air nanoconfined memiliki aplikasi penting di dunia nyata. Sebagian besar air dalam tubuh kita terkurung dalam rongga sempit seperti ruang di dalam sel, di antara membran dan di kapiler kecil, catat pemimpin tim Venkat Kapila, seorang ahli kimia teoretis dan ilmuwan material di Universitas Cambridge, Inggris. Hal yang sama berlaku untuk air yang terkunci di dalam batu atau terperangkap dalam beton. Memahami perilaku air ini karena itu bisa menjadi pusat biologi, teknik dan geologi. Ini juga bisa menjadi penting untuk mengembangkan perangkat nano berair masa depan dan untuk aplikasi seperti nanofluida, bahan elektrolit dan desalinasi air.
Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah membuat kapiler hidrofobik buatan dengan dimensi skala nano. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengukur sifat-sifat air saat melewati saluran yang sangat sempit sehingga molekul air tidak memiliki cukup ruang untuk menampilkan pola ikatan hidrogen mereka yang biasa.
Tebalnya hanya satu molekul
Dalam karya terbaru, Kapil dan rekan mempelajari air yang terperangkap di antara dua lembaran seperti graphene, sehingga lapisan air hanya setebal satu molekul. Menggunakan simulasi atomistik, yang bertujuan untuk memodelkan perilaku semua elektron dan inti dalam suatu sistem, mereka menghitung diagram fase tekanan-suhu air. Diagram ini, yang memplot suhu pada satu sumbu dan tekanan pada sumbu lainnya, mengungkapkan fase air yang paling stabil pada kondisi suhu-tekanan tertentu.
“Simulasi ini biasanya sangat mahal secara komputasi, jadi kami menggabungkan banyak pendekatan canggih berdasarkan fisika statistik, mekanika kuantum, dan pembelajaran mesin untuk mengurangi biaya ini,” kata Kapil. Dunia Fisika. “Penghematan komputasi ini memungkinkan kami untuk secara ketat mensimulasikan sistem pada tekanan dan suhu yang berbeda dan memperkirakan fase yang paling stabil.”
Para peneliti menemukan bahwa air monolayer menawarkan perilaku fase yang sangat bervariasi yang sangat sensitif terhadap suhu dan tekanan yang bekerja di dalam saluran nano. Dalam rezim tertentu, itu menunjukkan fase "heksatis", yang merupakan perantara antara padat dan cair seperti yang diprediksi oleh apa yang disebut teori KTHNY yang menggambarkan pencairan kristal dalam kurungan 2D. Teori ini membuat para pengembangnya mendapatkan Hadiah Nobel Fisika 2016 untuk memajukan pemahaman kita tentang perilaku fase padatan 2D.
Konduktivitas listrik yang tinggi
Para peneliti mengamati bahwa air yang dibatasi nano menjadi sangat konduktif, dengan konduktivitas listrik 10-1000 kali lebih tinggi daripada bahan baterai. Mereka juga menemukan bahwa itu tidak lagi ada dalam fase molekuler. "Atom hidrogen mulai bergerak hampir seperti cairan meskipun kisi oksigen, katakanlah seperti anak-anak berlari melalui labirin," jelas Kapil. “Hasil ini luar biasa karena fase superionik 'massal' konvensional seperti itu hanya diharapkan stabil dalam kondisi ekstrem seperti interior planet raksasa. Kami telah mampu menstabilkannya dalam kondisi ringan.
David Thouless, Duncan Haldane dan Michael Kosterlitz memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2016
“Sepertinya membatasi bahan dalam 2D dapat menghasilkan sifat yang sangat menarik atau sifat yang hanya ditunjukkan oleh rekan-rekan massal mereka pada kondisi ekstrim,” lanjutnya. “Kami berharap penelitian kami akan membantu mengungkap materi baru dengan sifat menarik. Tujuan kami yang lebih besar, bagaimanapun, adalah untuk memahami air, terutama ketika itu tunduk pada kondisi yang sangat kompleks seperti di dalam tubuh kita.”
Tim, yang terdiri dari peneliti dari University College London, Università di Napoli Federico II, Universitas Peking dan Universitas Tohoku, Sendai, sekarang berharap untuk mengamati fase yang telah mereka simulasikan dalam eksperimen dunia nyata. “Kami juga mempelajari bahan 2D selain yang seperti graphene karena sistem ini pada prinsipnya dapat disintesis dan dipelajari di laboratorium,” ungkap Kapil. Oleh karena itu, perbandingan satu-ke-satu dengan eksperimen harus dimungkinkan - semoga saja.
Pekerjaan saat ini dirinci dalam Alam.
