물이 나노 크기의 좁은 공동에 갇히면 고체도 액체도 아닌 중간 단계로 들어갑니다. 이것은 통계 물리학, 양자 역학 및 기계 학습을 사용하여 물이 작은 공간에 갇혔을 때 물의 특성이 어떻게 변하는지 연구한 국제 연구원 팀의 발견입니다. 알려진 바와 같이 이 나노 밀폐 물의 압력-온도 상 다이어그램을 분석함으로써 팀은 중간 "XNUMX진수" 상을 나타내고 또한 전도성이 높다는 것을 발견했습니다.
나노 규모의 물의 특성은 우리가 벌크 물과 관련된 특성과 매우 다를 수 있습니다. 다른 특이한 특징들 중에서 나노 규모의 물은 비정상적으로 낮은 유전 상수를 가지며 마찰 없이 거의 흐르고 사각 얼음 상태로 존재할 수 있습니다.
나노 한정수 연구는 중요한 실제 응용 분야를 가지고 있습니다. 우리 몸에 있는 대부분의 물은 세포 내부, 막 사이, 작은 모세혈관과 같은 좁은 구멍에 갇혀 있다고 팀 리더는 말합니다. 벤캇 카필, 이론 화학자이자 재료 과학자 영국 케임브리지 대학교. 바위 안에 잠겨 있거나 콘크리트에 갇힌 물도 마찬가지입니다. 따라서 이 물의 거동을 이해하는 것은 생물학, 공학 및 지질학의 핵심이 될 수 있습니다. 또한 미래의 수성 나노 장치를 개발하고 나노 유체, 전해질 재료 및 물 담수화와 같은 응용 분야에 중요할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 연구자들은 나노 크기의 인공 소수성 모세관을 제작했습니다. 이를 통해 물 분자가 일반적인 수소 결합 패턴을 표시하기에 충분한 공간이 없는 채널을 통과할 때 물의 특성을 측정할 수 있었습니다.
한 분자의 두께
최신 연구에서 Kapil과 동료들은 두 개의 그래핀과 같은 시트 사이에 갇힌 물을 연구하여 물 층이 한 분자 두께가 되도록 했습니다. 시스템의 모든 전자와 핵의 거동을 모델링하는 것을 목표로 하는 원자 시뮬레이션을 사용하여 물의 압력-온도 위상 다이어그램을 계산했습니다. 한 축에 온도를 표시하고 다른 축에 압력을 표시하는 이 다이어그램은 주어진 압력-온도 조건에서 물의 가장 안정적인 상태를 보여줍니다.
Kapil은 "이러한 시뮬레이션은 일반적으로 계산 비용이 매우 높기 때문에 통계 물리학, 양자 역학 및 기계 학습을 기반으로 하는 많은 최첨단 접근 방식을 결합하여 이 비용을 절감했습니다."라고 말합니다. 물리 세계. "이러한 계산 절감 덕분에 다양한 압력과 온도에서 시스템을 엄격하게 시뮬레이션하고 가장 안정적인 단계를 추정할 수 있었습니다."
연구원들은 단층 물이 나노채널 내에서 작용하는 온도와 압력에 매우 민감한 놀랍도록 다양한 상 거동을 자랑한다는 것을 발견했습니다. 특정 영역에서는 2D 감금에서 결정의 용융을 설명하는 소위 KTHNY 이론에 의해 예측되는 고체와 액체 사이의 중간인 "육각" 상을 나타냅니다. 이 이론은 개발자에게 2016년 노벨 물리학상 2D 솔리드의 위상 거동에 대한 이해를 향상시키기 위한 것입니다.
높은 전기 전도성
연구원들은 나노 갇힌 물이 배터리 재료의 전기 전도도보다 10-1000배 더 높은 전기 전도도를 갖는 고도로 전도성이 되는 것을 관찰했습니다. 그들은 또한 그것이 분자 단계에서 존재하지 않는다는 것을 발견했습니다. Kapil은 "수소 원자는 마치 어린아이가 미로를 달리는 것처럼 산소 격자를 통해 거의 유체처럼 움직이기 시작합니다."라고 설명합니다. “이러한 기존의 '벌크' 초이온 상은 거대한 행성의 내부와 같은 극한 조건에서만 안정될 것으로 예상되기 때문에 이 결과는 주목할 만합니다. 온화한 조건에서 안정화할 수 있었습니다.
David Thouless, Duncan Haldane 및 Michael Kosterlitz가 2016년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
"2D로 재료를 제한하면 벌크 대응물이 극한 조건에서만 표시되는 매우 흥미로운 특성 또는 특성이 나타날 수 있는 것 같습니다."라고 그는 계속해서 말했습니다. “우리의 연구가 흥미로운 특성을 가진 새로운 재료를 공개하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 그러나 우리의 더 큰 목표는 특히 우리 몸 내부와 같이 매우 복잡한 조건의 영향을 받는 물을 이해하는 것입니다.”
University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University 및 Tohoku University, Sendai의 연구원을 포함하는 팀은 이제 실제 실험에서 시뮬레이션한 단계를 관찰하기를 희망합니다. Kapil은 "이 시스템은 원칙적으로 합성되고 실험실에서 연구될 수 있기 때문에 그래핀과 유사한 것 이외의 2D 재료도 연구하고 있습니다."라고 밝혔습니다. 따라서 실험과 일대일 비교가 가능해야 합니다.
현재 작업은 다음에서 자세히 설명합니다. 자연.
