Ko je voda ujeta v ozke votline v nanometrskem merilu, preide v vmesno fazo, ki ni ne trdna ne tekoča, temveč nekje vmes. To je ugotovitev mednarodne skupine raziskovalcev, ki je uporabila statistično fiziko, kvantno mehaniko in strojno učenje, da bi preučila, kako se spremenijo lastnosti vode, ko je zaprta v tako majhnem prostoru. Z analizo faznega diagrama tlak-temperatura te nanokonfinirane vode, kot je znano, je skupina ugotovila, da ima vmesno "heksatično" fazo in je tudi zelo prevodna.
Lastnosti vode na nanometru so lahko zelo drugačne od tistih, ki jih povezujemo z vodo v razsutem stanju. Med drugimi nenavadnimi značilnostmi ima voda v nanometru anomalično nizko dielektrično konstanto, teče skoraj brez trenja in lahko obstaja v kvadratni ledeni fazi.
Študija nanokonfinirane vode ima pomembne aplikacije v realnem svetu. Velik del vode v naših telesih je omejen v ozkih votlinah, kot so prostori znotraj celic, med membranami in majhnimi kapilarami, ugotavlja vodja ekipe Venkat Kapil, teoretični kemik in znanstvenik za materiale na Univerza v Cambridgeu, Velika Britanija. Enako velja za vodo, zaklenjeno v skalah ali ujeto v betonu. Razumevanje obnašanja te vode je torej lahko osrednjega pomena za biologijo, inženiring in geologijo. Lahko bi bil pomemben tudi za razvoj prihodnjih vodnih nanonaprav in za aplikacije, kot so nanofluidiki, elektrolitski materiali in razsoljevanje vode.
V zadnjih letih so raziskovalci izdelali umetne hidrofobne kapilare z nanometrskimi dimenzijami. To jim je omogočilo merjenje lastnosti vode, ko prehaja skozi kanale, ki so tako ozki, da molekule vode nimajo dovolj prostora za prikaz običajnega vzorca vodikove vezi.
Samo ena molekula debela
V zadnjem delu so Kapil in njegovi sodelavci preučevali vodo, ujeto med dvema grafenom podobnima ploščama, tako da je bila vodna plast debela samo eno molekulo. Z uporabo atomističnih simulacij, katerih namen je modelirati obnašanje vseh elektronov in jeder v sistemu, so izračunali fazni diagram tlak-temperatura vode. Ta diagram, ki prikazuje temperaturo na eni osi in tlak na drugi, razkriva najstabilnejšo fazo vode pri danih pogojih tlak-temperatura.
"Te simulacije so običajno računsko zelo drage, zato smo združili številne najsodobnejše pristope, ki temeljijo na statistični fiziki, kvantni mehaniki in strojnem učenju, da bi zmanjšali te stroške," pravi Kapil Svet fizike. "Ti računalniški prihranki so nam omogočili strogo simulacijo sistema pri različnih tlakih in temperaturah ter oceno najbolj stabilnih faz."
Raziskovalci so ugotovili, da se enoslojna voda ponaša s presenetljivo raznolikim faznim obnašanjem, ki je zelo občutljivo na temperaturo in pritisk, ki delujeta znotraj nanokanala. V določenih režimih kaže "heksatično" fazo, ki je vmesna med trdno in tekočo snovjo, kot predvideva tako imenovana teorija KTHNY, ki opisuje taljenje kristalov v 2D zaprtju. Ta teorija je svojim razvijalcem prinesla Nobelova nagrada za fiziko 2016 za izboljšanje našega razumevanja faznega obnašanja 2D trdnih teles.
Visoka električna prevodnost
Raziskovalci so ugotovili, da nanokonfinirana voda postane visoko prevodna, z električno prevodnostjo 10–1000-krat večjo kot pri baterijskih materialih. Ugotovili so tudi, da preneha obstajati v molekularni fazi. "Atomi vodika se začnejo premikati skoraj kot tekočina skozi mrežo kisika, recimo kot otroci, ki tečejo skozi labirint," pojasnjuje Kapil. »Ta rezultat je izjemen, saj se pričakuje, da bo tako običajna 'razsuta' superionska faza stabilna samo v ekstremnih pogojih, kot je notranjost velikanskih planetov. V blagih pogojih smo ga uspeli stabilizirati.
David Thouless, Duncan Haldane in Michael Kosterlitz so leta 2016 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.
"Videti je, da lahko omejevanje materialov v 2D privede do zelo zanimivih lastnosti ali lastnosti, ki jih njihovi primerki v razsutem stanju kažejo le v ekstremnih pogojih," nadaljuje. »Upamo, da bo naša študija pomagala razkriti nove materiale z zanimivimi lastnostmi. Naš večji cilj pa je razumeti vodo, še posebej, ko je podvržena zelo zapletenim pogojem, kot so znotraj naših teles.«
Ekipa, ki vključuje raziskovalce z University College London, Università di Napoli Federico II, Univerze v Pekingu in Univerze Tohoku, Sendai, zdaj upa, da bo opazovala faze, ki so jih simulirali v poskusih v resničnem svetu. »Proučujemo tudi 2D materiale, ki niso grafenu podobni, saj bi te sisteme načeloma lahko sintetizirali in preučevali v laboratoriju,« razkriva Kapil. "Primerjava ena proti ena z eksperimenti bi zato morala biti mogoča - držimo pesti."
To delo je podrobno opisano v Narava.
