כאשר מים כלואים בחללים צרים בקנה מידה ננו, הם נכנסים לשלב ביניים שאינו מוצק ואינו נוזלי, אלא איפשהו באמצע. זהו הממצא של צוות בינלאומי של חוקרים שהשתמש בפיזיקה סטטיסטית, מכניקת קוונטים ולמידת מכונה כדי לחקור כיצד תכונות המים משתנות כאשר הם כלואים בחללים כה קטנים. על ידי ניתוח תרשים פאזות הלחץ-טמפרטורת המים הללו, כפי שהוא ידוע, מצא הצוות שהם מציגים שלב "הקסטי" ביניים והוא גם בעל מוליכות גבוהה.
תכונות המים בקנה מידה ננו עשוי להיות שונה מאוד מאלה שאנו מקשרים למים בתפזורת. בין שאר המאפיינים יוצאי הדופן, למים ננומטרים יש קבוע דיאלקטרי נמוך בצורה חריגה, זורמים כמעט ללא חיכוך ויכולים להתקיים בשלב קרח מרובע.
למחקר של מים מוגבלים בננו יש יישומים חשובים בעולם האמיתי. חלק גדול מהמים בגופנו כלוא בתוך חללים צרים כמו החללים בתוך תאים, בין ממברנות ובנימים קטנים, מציין ראש הצוות. ונקת קאפיל, כימאי תיאורטי ומדען חומרים ב- אוניברסיטת קיימברידג ', בריטניה. הדבר נכון גם לגבי מים הנעולים בתוך סלעים או כלואים בבטון. הבנת ההתנהגות של מים אלה יכולה להיות מרכזית בביולוגיה, הנדסה וגיאולוגיה. זה יכול להיות גם חשוב לפיתוח ננו-מכשירים מימיים עתידיים וליישומים כגון ננו-נוזלים, חומרים אלקטרוליטים והתפלת מים.
בשנים האחרונות, חוקרים יצרו נימים הידרופוביים מלאכותיים בעלי ממדים ננומטריים. זה איפשר להם למדוד את תכונות המים כשהם עוברים דרך תעלות צרות כל כך שלמולקולות המים אין מספיק מקום להציג את דפוס קשר המימן הרגיל שלהן.
רק מולקולה אחת עבה
בעבודה האחרונה, קפיל ועמיתיו חקרו מים הכלואים בין שתי יריעות דמויות גרפן, כך ששכבת המים הייתה בעובי מולקולה אחת בלבד. באמצעות הדמיות אטומיסטיות, שמטרתן ליצור מודל של התנהגות כל האלקטרונים והגרעינים במערכת, הם חישבו את דיאגרמת הפאזות של הלחץ-טמפרטורת המים. תרשים זה, אשר משרטט טמפרטורה על ציר אחד ולחץ על הציר השני, חושף את השלב היציב ביותר של מים במצב לחץ-טמפרטורת נתון.
"הסימולציות האלה בדרך כלל יקרות מאוד מבחינה חישובית, אז שילבנו גישות מתקדמות רבות המבוססות על פיזיקה סטטיסטית, מכניקת קוונטים ולמידת מכונה כדי להפחית את העלות הזו", אומר קאפיל. עולם הפיזיקה. "החיסכון החישובי הזה אפשר לנו לדמות בקפדנות את המערכת בלחצים וטמפרטורות שונות ולהעריך את השלבים היציבים ביותר".
החוקרים מצאו כי מים חד-שכבתיים מתהדרים בהתנהגות פאזה מגוונת באופן מפתיע, הרגישה מאוד לטמפרטורה וללחץ הפועלים בתוך הננו-תעל. במשטרים מסוימים, הוא מראה שלב "הקסטי", שהוא ביניים בין מוצק לנוזל כפי שנחזה על ידי מה שמכונה תיאוריית KTHNY המתארת התכה של גבישים בכליאה דו-ממדית. תיאוריה זו זיכתה את מפתחיה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2016 לקידום ההבנה שלנו לגבי התנהגות הפאזה של מוצקים דו-ממדיים.
מוליכות חשמלית גבוהה
החוקרים הבחינו כי מים מוגבלים בננו הופכים למוליכים גבוהים, עם מוליכות חשמלית גבוהה פי 10-1000 מזו של חומרי סוללה. הם גם גילו שהוא מפסיק להתקיים בשלב מולקולרי. "אטומי המימן מתחילים לנוע כמעט כמו נוזל דרך סריג של חמצן, למשל כמו ילדים שרצים במבוך", מסביר קאפיל. "תוצאה זו היא יוצאת דופן מאחר ששלב סופריוני רגיל כזה צפוי להיות יציב רק בתנאים קיצוניים כמו פנים של כוכבי לכת ענקיים. הצלחנו לייצב אותו בתנאים קלים.
דיוויד תולס, דאנקן האלדן ומייקל קוסטרליץ זוכים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2016
"נראה שכליימת חומרים בדו מימד יכולה להוביל למאפיינים או מאפיינים מאוד מעניינים שעמיתיהם בכמות גדולה מציגים רק בתנאים קיצוניים", הוא ממשיך. "אנו מקווים שהמחקר שלנו יעזור לחשוף חומרים חדשים עם תכונות מעניינות. המטרה הגדולה שלנו, לעומת זאת, היא להבין מים, במיוחד כשהם נתונים לתנאים מורכבים מאוד כמו בתוך הגוף שלנו".
הצוות, הכולל חוקרים מאוניברסיטת קולג' בלונדון, אוניברסיטת נאפולי פדריקו II, אוניברסיטת פקין ואוניברסיטת טוהוקו, סנדאי, מקווה כעת לצפות בשלבים שהם סימו בניסויים בעולם האמיתי. "אנחנו גם חוקרים חומרים דו-ממדיים שאינם דמויי גרפן, מכיוון שבאופן עקרוני ניתן היה לסנתז את המערכות הללו ולחקור אותן במעבדה", מגלה קאפיל. "לכן, השוואה אחד לאחד עם ניסויים צריכה להיות אפשרית - מחזיקה אצבעות."
העבודה הנוכחית מפורטת ב טבע.
