Når vann er fanget i trange hulrom i nanoskala, går det inn i en mellomfase som verken er fast eller flytende, men et sted midt i mellom. Dette er funnet til et internasjonalt team av forskere som brukte statistisk fysikk, kvantemekanikk og maskinlæring for å studere hvordan egenskapene til vann endres når det er innesperret i så små rom. Ved å analysere trykk-temperatur-fasediagrammet til dette nanobegrensede vannet, som det er kjent, fant teamet at det viser en mellomliggende "heksatisk" fase og er også sterkt ledende.
Egenskapene til vann på nanoskala kan være svært forskjellige fra de vi forbinder med bulkvann. Blant andre uvanlige trekk har vann i nanoskala en unormalt lav dielektrisk konstant, flyter nesten uten friksjon og kan eksistere i en kvadratisk isfase.
Studiet av nanobegrenset vann har viktige anvendelser i den virkelige verden. Mye av vannet i kroppen vår er innesperret i trange hulrom som mellomrommene inne i cellene, mellom membraner og i små kapillærer, sier teamleder. Venkat Kapil, en teoretisk kjemiker og materialviter ved University of Cambridge, Storbritannia. Det samme gjelder vann som er låst inne i steiner eller fanget i betong. Å forstå oppførselen til dette vannet kan derfor være sentralt for biologi, ingeniørfag og geologi. Det kan også være viktig for utvikling av fremtidige vandige nanoenheter og for applikasjoner som nanofluidikk, elektrolyttmaterialer og vannavsalting.
De siste årene har forskere laget kunstige hydrofobe kapillærer med dimensjoner i nanoskala. Dette har gjort dem i stand til å måle egenskapene til vann når det passerer gjennom kanaler som er så smale at vannmolekyler ikke har nok plass til å vise sitt vanlige hydrogenbindingsmønster.
Bare ett molekyl tykt
I det siste arbeidet studerte Kapil og kollegene vann fanget mellom to grafenlignende ark, slik at vannlaget bare var ett molekyl tykt. Ved å bruke atomistiske simuleringer, som tar sikte på å modellere oppførselen til alle elektronene og kjernene i et system, beregnet de vannets trykk-temperatur-fasediagram. Dette diagrammet, som plotter temperatur på den ene aksen og trykk på den andre, avslører den mest stabile fasen av vann ved en gitt trykk-temperaturtilstand.
"Disse simuleringene er vanligvis svært beregningsmessig dyre, så vi kombinerte mange toppmoderne tilnærminger basert på statistisk fysikk, kvantemekanikk og maskinlæring for å redusere disse kostnadene," forteller Kapil Fysikkens verden. "Disse beregningsmessige besparelsene tillot oss å simulere systemet strengt ved forskjellige trykk og temperaturer og estimere de mest stabile fasene."
Forskerne fant at monolagsvann har en overraskende variert faseadferd som er svært følsom for temperatur og trykk som virker i nanokanalen. I visse regimer viser den en "heksatisk" fase, som er mellomliggende mellom et fast stoff og væske, som forutsagt av den såkalte KTHNY-teorien som beskriver smelting av krystaller i 2D-inneslutning. Denne teorien tjente utviklerne til 2016 Nobelprisen i fysikk for å fremme vår forståelse av faseoppførselen til 2D-faststoffer.
Høy elektrisk ledningsevne
Forskerne observerte at nanobegrenset vann blir sterkt ledende, med en elektrisk ledningsevne 10–1000 ganger høyere enn batterimaterialene. De fant også at det slutter å eksistere i en molekylær fase. "Hydrogenatomene begynner å bevege seg nesten som en væske gjennom et gitter av oksygen, si som barn som løper gjennom en labyrint," forklarer Kapil. "Dette resultatet er bemerkelsesverdig siden en slik konvensjonell 'bulk' superionisk fase bare forventes å være stabil under ekstreme forhold som det indre av gigantiske planeter. Vi har klart å stabilisere den under milde forhold.
David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz vinner 2016 Nobelprisen i fysikk
"Det ser ut til at det å begrense materialer i 2D kan føre til veldig interessante egenskaper eller egenskaper som deres bulk-motparter bare viser under ekstreme forhold," fortsetter han. "Vi håper vår studie vil bidra til å avdekke nye materialer med interessante egenskaper. Vårt større mål er imidlertid å forstå vann, spesielt når det er utsatt for svært komplekse forhold som inne i kroppen vår.»
Teamet, som inkluderer forskere fra University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University og Tohoku University, Sendai, håper nå å observere fasene de har simulert i virkelige eksperimenter. "Vi studerer også andre 2D-materialer enn grafenlignende, siden disse systemene i prinsippet kan syntetiseres og studeres i laboratoriet," avslører Kapil. "En en-til-en sammenligning med eksperimenter bør derfor være mulig - krysser fingrene."
Det nåværende arbeidet er detaljert i Natur.
