När vatten fångas i smala håligheter i nanoskala går det in i en mellanfas som varken är fast eller flytande, utan någonstans däremellan. Detta är upptäckten av ett internationellt team av forskare som använde statistisk fysik, kvantmekanik och maskininlärning för att studera hur egenskaperna hos vatten förändras när det är instängt i så små utrymmen. Genom att analysera tryck-temperatur-fasdiagrammet för detta nanobegränsade vatten, som det är känt, fann teamet att det uppvisar en mellanliggande "hexatisk" fas och är också mycket ledande.
Vattenegenskaperna på nanoskala kan skilja sig mycket från dem vi förknippar med bulkvatten. Bland andra ovanliga egenskaper har vatten i nanoskala en onormalt låg dielektricitetskonstant, flyter nästan friktionsfritt och kan existera i en kvadratisk isfas.
Studiet av nanoinneslutet vatten har viktiga tillämpningar i den verkliga världen. Mycket av vattnet i våra kroppar är instängt i smala håligheter som utrymmena inuti celler, mellan membran och i små kapillärer, konstaterar teamledaren Venkat Kapil, en teoretisk kemist och materialvetare vid University of Cambridge, Storbritannien. Detsamma gäller vatten som är instängt i stenar eller instängt i betong. Att förstå detta vattens beteende kan därför vara centralt för biologi, teknik och geologi. Det kan också vara viktigt för att utveckla framtida vattenhaltiga nanoenheter och för tillämpningar som nanofluidik, elektrolytmaterial och vattenavsaltning.
På senare år har forskare tillverkat konstgjorda hydrofoba kapillärer med dimensioner i nanoskala. Detta har gjort det möjligt för dem att mäta egenskaperna hos vatten när det passerar genom kanaler som är så smala att vattenmolekyler inte har tillräckligt med utrymme för att visa sitt vanliga vätebindningsmönster.
Bara en molekyl tjock
I det senaste arbetet studerade Kapil och kollegor vatten som var fångat mellan två grafenliknande ark, så att vattenlagret bara var en molekyl tjockt. Med hjälp av atomistiska simuleringar, som syftar till att modellera beteendet hos alla elektroner och kärnor i ett system, beräknade de vattnets tryck-temperatur fasdiagram. Detta diagram, som plottar temperatur på en axel och tryck på den andra, avslöjar den mest stabila fasen av vatten vid ett givet tryck-temperaturtillstånd.
"Dessa simuleringar är vanligtvis mycket beräkningsmässigt dyra, så vi kombinerade många toppmoderna tillvägagångssätt baserade på statistisk fysik, kvantmekanik och maskininlärning för att minska denna kostnad," säger Kapil Fysikvärlden. "Dessa beräkningsbesparingar gjorde det möjligt för oss att rigoröst simulera systemet vid olika tryck och temperaturer och uppskatta de mest stabila faserna."
Forskarna fann att monolagervatten har ett förvånansvärt varierat fasbeteende som är mycket känsligt för temperatur och tryck som verkar i nanokanalen. I vissa regimer visar den en "hexatisk" fas, som är mellanliggande mellan en fast och flytande, som förutspåtts av den så kallade KTHNY-teorin som beskriver smältning av kristaller i 2D-inneslutning. Denna teori gav sina utvecklare 2016 Nobelpriset i fysik för att främja vår förståelse av fasbeteendet hos 2D-fasta ämnen.
Hög elektrisk ledningsförmåga
Forskarna observerade att nanoinneslutet vatten blir starkt ledande, med en elektrisk ledningsförmåga som är 10–1000 gånger högre än för batterimaterial. De fann också att det upphör att existera i en molekylär fas. "Väteatomerna börjar röra sig nästan som en vätska genom ett gitter av syre, säg som barn som springer genom en labyrint", förklarar Kapil. "Detta resultat är anmärkningsvärt eftersom en sådan konventionell "bulk" superionisk fas endast förväntas vara stabil under extrema förhållanden som det inre av jätteplaneter. Vi har kunnat stabilisera det under milda förhållanden.
David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz vinner Nobelpriset i fysik 2016
"Det ser ut som att begränsa material i 2D kan leda till mycket intressanta egenskaper eller egenskaper som deras bulkmotsvarigheter bara uppvisar under extrema förhållanden", fortsätter han. "Vi hoppas att vår studie kommer att bidra till att avslöja nya material med intressanta egenskaper. Vårt större mål är dock att förstå vatten, särskilt när det är föremål för mycket komplexa förhållanden som inuti våra kroppar."
Teamet, som inkluderar forskare från University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University och Tohoku University, Sendai, hoppas nu kunna observera faserna de har simulerat i verkliga experiment. "Vi studerar också andra 2D-material än grafenliknande eftersom dessa system i princip skulle kunna syntetiseras och studeras i laboratoriet", avslöjar Kapil. "En en-till-en-jämförelse med experiment borde därför vara möjlig – tummarna för."
Det aktuella arbetet är detaljerat i Natur.
