Kiedy woda jest uwięziona w wąskich, nanoskalowych wnękach, wchodzi w fazę pośrednią, która nie jest ani stała, ani płynna, ale gdzieś pomiędzy. To odkrycie międzynarodowego zespołu badaczy, którzy wykorzystali fizykę statystyczną, mechanikę kwantową i uczenie maszynowe do zbadania, jak zmieniają się właściwości wody, gdy jest ona zamknięta w tak małych przestrzeniach. Analizując diagram fazowy ciśnienie-temperatura tej nano-ograniczonej wody, jak wiadomo, zespół odkrył, że wykazuje ona pośrednią fazę „heksatyczną” i jest również wysoce przewodząca.
Właściwości wody w nanoskali mogą bardzo różnić się od tych, które kojarzymy z wodą masową. Wśród innych niezwykłych właściwości woda w nanoskali ma anomalnie niską stałą dielektryczną, płynie prawie bez tarcia i może istnieć w kwadratowej fazie lodowej.
Badanie wody w nanoograniczeniu ma ważne zastosowania w świecie rzeczywistym. Duża część wody w naszym ciele jest zamknięta w wąskich wnękach, takich jak przestrzenie wewnątrz komórek, między błonami i w małych naczyniach włosowatych, zauważa kierownik zespołu Venkat Kapil, chemik teoretyczny i materiałoznawca na University of Cambridge, UK. To samo dotyczy wody zamkniętej w skałach lub uwięzionej w betonie. Zrozumienie zachowania tej wody może zatem mieć kluczowe znaczenie dla biologii, inżynierii i geologii. Może mieć również znaczenie dla rozwoju przyszłych nanourządzeń wodnych oraz zastosowań takich jak nanoprzepływy, materiały elektrolitowe i odsalanie wody.
W ostatnich latach naukowcy wyprodukowali sztuczne kapilary hydrofobowe o wymiarach nanoskali. Umożliwiło im to zmierzenie właściwości wody przechodzącej przez kanały, które są tak wąskie, że cząsteczki wody nie mają wystarczająco dużo miejsca, aby pokazać swój zwykły wzór wiązania wodorowego.
Grubość tylko jednej cząsteczki
W ostatniej pracy Kapil i współpracownicy badali wodę uwięzioną między dwoma warstwami grafenopodobnymi, tak że warstwa wody miała grubość zaledwie jednej cząsteczki. Korzystając z symulacji atomowych, których celem jest modelowanie zachowania wszystkich elektronów i jąder w układzie, obliczyli wykres fazowy ciśnienie-temperatura wody. Ten wykres, który przedstawia temperaturę na jednej osi i ciśnienie na drugiej, pokazuje najbardziej stabilną fazę wody w danych warunkach ciśnienie-temperatura.
„Te symulacje są zwykle bardzo kosztowne obliczeniowo, więc połączyliśmy wiele najnowocześniejszych podejść opartych na fizyce statystycznej, mechanice kwantowej i uczeniu maszynowym, aby zmniejszyć ten koszt” – mówi Kapil. Świat Fizyki. „Te oszczędności obliczeniowe pozwoliły nam na rygorystyczną symulację systemu przy różnych ciśnieniach i temperaturach oraz oszacowanie najbardziej stabilnych faz”.
Naukowcy odkryli, że woda jednowarstwowa ma zaskakująco zróżnicowane zachowanie fazowe, które jest bardzo wrażliwe na temperaturę i ciśnienie działające w nanokanale. W niektórych reżimach pokazuje fazę „heksatyczną”, która jest pośrednią między ciałem stałym a cieczą, jak przewiduje tak zwana teoria KTHNY, która opisuje topienie kryształów w zamknięciu 2D. Ta teoria przyniosła jej twórcom 2016 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za pogłębienie naszej wiedzy na temat zachowania fazowego brył 2D.
Wysoka przewodność elektryczna
Naukowcy zaobserwowali, że woda w nanotechnologii staje się wysoce przewodząca, a jej przewodność elektryczna jest 10-1000 razy większa niż w przypadku materiałów akumulatorowych. Odkryli również, że przestaje istnieć w fazie molekularnej. „Atom wodoru zaczyna się poruszać prawie jak płyn przez sieć tlenu, powiedzmy, jak dzieci biegnące przez labirynt” – wyjaśnia Kapil. „Ten wynik jest niezwykły, ponieważ oczekuje się, że taka konwencjonalna „masowa” faza superjonowa będzie stabilna tylko w ekstremalnych warunkach, takich jak wnętrza gigantycznych planet. Udało nam się go ustabilizować w łagodnych warunkach.
David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz zdobywają Nagrodę Nobla 2016 w dziedzinie fizyki
„Wygląda na to, że ograniczanie materiałów w 2D może prowadzić do bardzo interesujących właściwości lub właściwości, które ich masowe odpowiedniki wykazują tylko w ekstremalnych warunkach”, kontynuuje. „Mamy nadzieję, że nasze badanie pomoże odkryć nowe materiały o ciekawych właściwościach. Naszym większym celem jest jednak zrozumienie wody, zwłaszcza gdy podlega ona bardzo złożonym warunkom, takim jak w naszych ciałach”.
Zespół, w skład którego wchodzą naukowcy z University College London, Università di Napoli Federico II, Uniwersytetu Pekińskiego i Uniwersytetu Tohoku w Sendai, ma teraz nadzieję zaobserwować fazy, które symulowali w rzeczywistych eksperymentach. „Badamy również materiały 2D inne niż grafenopodobne, ponieważ te systemy można w zasadzie zsyntetyzować i zbadać w laboratorium” – ujawnia Kapil. „Powinno więc być możliwe porównanie jeden do jednego z eksperymentami – trzymamy kciuki”.
Niniejsza praca jest szczegółowo opisana w: Natura.
