Când apa este prinsă în cavități înguste, la scară nanometrică, ea intră într-o fază intermediară care nu este nici solidă, nici lichidă, ci undeva la mijloc. Aceasta este constatarea unei echipe internaționale de cercetători care au folosit fizica statistică, mecanica cuantică și învățarea automată pentru a studia modul în care proprietățile apei se schimbă atunci când este închisă în spații atât de mici. Analizând diagrama de fază presiune-temperatură a acestei ape nanoconfinate, așa cum este cunoscută, echipa a descoperit că prezintă o fază intermediară „hexatică” și este, de asemenea, foarte conductivă.
Proprietățile apei la scară nanometrică pot fi foarte diferite de cele pe care le asociem cu apa în vrac. Printre alte caracteristici neobișnuite, apa la scară nanometrică are o constantă dielectrică anormal de scăzută, curge aproape fără frecare și poate exista într-o fază de gheață pătrată.
Studiul apei nanoconfinate are aplicații importante în lumea reală. O mare parte din apa din corpul nostru este limitată în cavități înguste, cum ar fi spațiile din interiorul celulelor, dintre membrane și în capilare mici, notează liderul echipei. Venkat Kapil, un chimist teoretic și om de știință a materialelor la Universitatea din Cambridge, Regatul Unit. Același lucru este valabil și pentru apa blocată în roci sau prinsă în beton. Înțelegerea comportamentului acestei ape ar putea fi, prin urmare, esențială pentru biologie, inginerie și geologie. Ar putea fi, de asemenea, important pentru dezvoltarea viitoarelor nanodispozitive apoase și pentru aplicații precum nanofluidică, materiale electrolitice și desalinizarea apei.
În ultimii ani, cercetătorii au fabricat capilare hidrofobe artificiale cu dimensiuni nanometrice. Acest lucru le-a permis să măsoare proprietățile apei pe măsură ce trece prin canale atât de înguste încât moleculele de apă nu au suficient spațiu pentru a-și afișa modelul obișnuit de legături de hidrogen.
Doar o moleculă gros
În cea mai recentă lucrare, Kapil și colegii au studiat apa prinsă între două foi asemănătoare grafenului, astfel încât stratul de apă să aibă o grosime de doar o moleculă. Folosind simulări atomiste, care urmăresc să modeleze comportamentul tuturor electronilor și nucleelor dintr-un sistem, au calculat diagrama de fază presiune-temperatura apei. Această diagramă, care prezintă temperatura pe o axă și presiunea pe cealaltă, dezvăluie cea mai stabilă fază a apei la o anumită condiție de presiune-temperatura.
„Aceste simulări sunt de obicei foarte costisitoare din punct de vedere computațional, așa că am combinat multe abordări de ultimă generație bazate pe fizica statistică, mecanică cuantică și învățarea automată pentru a reduce acest cost”, spune Kapil. Lumea fizicii. „Aceste economii de calcul ne-au permis să simulăm riguros sistemul la diferite presiuni și temperaturi și să estimăm fazele cele mai stabile.”
Cercetătorii au descoperit că apa monostrat are un comportament de fază surprinzător de variat, care este foarte sensibilă la temperatură și presiune care acționează în cadrul nanocanalului. În anumite regimuri, arată o fază „hexatică”, care este intermediară între un solid și un lichid, așa cum este prezis de așa-numita teorie KTHNY care descrie topirea cristalelor în izolare 2D. Această teorie le-a adus dezvoltatorilor săi 2016 Premiul Nobel pentru Fizică pentru a ne progresa înțelegerea comportamentului de fază al solidelor 2D.
Conductivitate electrică ridicată
Cercetătorii au observat că apa nanoconfinată devine foarte conducătoare, cu o conductivitate electrică de 10-1000 de ori mai mare decât cea a materialelor bateriilor. De asemenea, au descoperit că încetează să existe într-o fază moleculară. „Atomii de hidrogen încep să se miște aproape ca un fluid printr-o rețea de oxigen, să zicem ca niște copii care aleargă printr-un labirint”, explică Kapil. „Acest rezultat este remarcabil, deoarece o astfel de fază superionică convențională „în vrac” este de așteptat să fie stabilă doar în condiții extreme, cum ar fi interioarele planetelor gigantice. Am reușit să-l stabilizăm în condiții blânde.
David Thouless, Duncan Haldane și Michael Kosterlitz câștigă Premiul Nobel pentru Fizică 2016
„Se pare că limitarea materialelor în 2D poate duce la proprietăți sau proprietăți foarte interesante pe care omologii lor în vrac le prezintă doar în condiții extreme”, continuă el. „Sperăm că studiul nostru va ajuta la dezvăluirea de noi materiale cu proprietăți interesante. Totuși, obiectivul nostru mai mare este să înțelegem apa, mai ales atunci când este supusă unor condiții foarte complexe, cum ar fi în interiorul corpului nostru.”
Echipa, care include cercetători de la University College London, Università di Napoli Federico II, Universitatea Peking și Universitatea Tohoku, Sendai, speră acum să observe fazele pe care le-au simulat în experimente din lumea reală. „De asemenea, studiem materiale 2D, altele decât cele asemănătoare grafenului, deoarece aceste sisteme ar putea fi, în principiu, sintetizate și studiate în laborator”, dezvăluie Kapil. „O comparație unu-la-unu cu experimentele ar trebui, prin urmare, să fie posibilă – degetele încrucișate.”
Lucrarea de față este detaliată în Natură.
