Wanneer water wordt opgesloten in nauwe holtes op nanoschaal, komt het in een tussenfase die noch vast noch vloeibaar is, maar ergens daar tussenin. Dit is de bevinding van een internationaal team van onderzoekers die statistische fysica, kwantummechanica en machine learning gebruikten om te bestuderen hoe de eigenschappen van water veranderen wanneer het in zulke kleine ruimtes wordt opgesloten. Door het druk-temperatuurfasediagram van dit nano-opgesloten water, zoals het bekend is, te analyseren, ontdekte het team dat het een tussenliggende "hexatische" fase vertoont en ook zeer geleidend is.
De eigenschappen van water op nanoschaal kunnen heel anders zijn dan die we associëren met bulkwater. Naast andere ongebruikelijke kenmerken heeft water op nanoschaal een abnormaal lage diëlektrische constante, stroomt het bijna zonder wrijving en kan het in een vierkante ijsfase bestaan.
De studie van nano-opgesloten water heeft belangrijke real-world toepassingen. Veel van het water in ons lichaam is opgesloten in nauwe holtes zoals de ruimtes in cellen, tussen membranen en in kleine haarvaten, merkt teamleider op Venkat Kapil, een theoretisch chemicus en materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Cambridge, VK. Hetzelfde geldt voor water opgesloten in rotsen of opgesloten in beton. Het begrijpen van het gedrag van dit water kan daarom centraal staan in biologie, techniek en geologie. Het kan ook belangrijk zijn voor de ontwikkeling van toekomstige waterige nanodevices en voor toepassingen zoals nanofluidics, elektrolytmaterialen en waterontzilting.
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers kunstmatige hydrofobe capillairen gefabriceerd met afmetingen op nanoschaal. Dit heeft hen in staat gesteld de eigenschappen van water te meten wanneer het door kanalen gaat die zo smal zijn dat watermoleculen niet genoeg ruimte hebben om hun gebruikelijke waterstofbindingspatroon weer te geven.
Slechts één molecuul dik
In het laatste werk bestudeerden Kapil en collega's water dat gevangen zat tussen twee grafeenachtige platen, zodat de waterlaag slechts één molecuul dik was. Met behulp van atomistische simulaties, die gericht zijn op het modelleren van het gedrag van alle elektronen en kernen in een systeem, berekenden ze het druk-temperatuurfasediagram van het water. Dit diagram, dat de temperatuur op de ene as en de druk op de andere uitzet, onthult de meest stabiele fase van water bij een gegeven druk-temperatuurconditie.
"Deze simulaties zijn meestal erg rekenkundig duur, dus we hebben veel geavanceerde benaderingen gecombineerd op basis van statistische fysica, kwantummechanica en machine learning om deze kosten te verlagen", vertelt Kapil. Natuurkunde wereld. "Deze computationele besparingen stelden ons in staat om het systeem rigoureus te simuleren bij verschillende drukken en temperaturen en de meest stabiele fasen te schatten."
De onderzoekers ontdekten dat monolaagwater een verrassend gevarieerd fasegedrag vertoont dat zeer gevoelig is voor temperatuur en druk die in het nanokanaal werken. In bepaalde regimes vertoont het een "hexatische" fase, die het midden houdt tussen een vaste stof en een vloeistof, zoals voorspeld door de zogenaamde KTHNY-theorie die het smelten van kristallen in 2D-opsluiting beschrijft. Deze theorie leverde zijn ontwikkelaars de 2016 Nobelprijs voor Natuurkunde voor het bevorderen van ons begrip van het fasegedrag van 2D-vaste stoffen.
Hoge elektrische geleidbaarheid
De onderzoekers merkten op dat nano-ingesloten water zeer geleidend wordt, met een elektrische geleidbaarheid die 10 tot 1000 keer hoger is dan die van batterijmaterialen. Ze ontdekten ook dat het ophoudt te bestaan in een moleculaire fase. "De waterstofatomen beginnen bijna als een vloeistof door een rooster van zuurstof te bewegen, zeg maar als kinderen die door een doolhof rennen", legt Kapil uit. “Dit resultaat is opmerkelijk, aangezien verwacht wordt dat een dergelijke conventionele 'bulk' superionische fase alleen stabiel zal zijn in extreme omstandigheden, zoals het binnenste van reuzenplaneten. We hebben het onder milde omstandigheden kunnen stabiliseren.
David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz winnen Nobelprijs voor natuurkunde 2016
"Het lijkt erop dat het opsluiten van materialen in 2D kan leiden tot zeer interessante eigenschappen of eigenschappen die hun bulktegenhangers alleen onder extreme omstandigheden vertonen", vervolgt hij. “We hopen dat onze studie zal helpen bij het onthullen van nieuwe materialen met interessante eigenschappen. Ons grotere doel is echter om water te begrijpen, vooral wanneer het onderhevig is aan zeer complexe omstandigheden zoals in ons lichaam."
Het team, dat bestaat uit onderzoekers van University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University en Tohoku University, Sendai, hoopt nu de fasen te observeren die ze hebben gesimuleerd in real-world experimenten. "We bestuderen ook andere 2D-materialen dan grafeenachtige, omdat deze systemen in principe in het laboratorium kunnen worden gesynthetiseerd en bestudeerd", onthult Kapil. “Een één-op-één vergelijking met experimenten moet dus mogelijk zijn – vingers gekruist.”
Het huidige werk is gedetailleerd in NATUUR.
