เมื่อน้ำถูกขังอยู่ในโพรงที่แคบและมีระดับนาโน มันจะเข้าสู่ระยะกลางที่ไม่ใช่ของแข็งหรือของเหลว แต่อยู่ที่ไหนสักแห่งในระหว่างนั้น นี่คือการค้นพบของทีมนักวิจัยนานาชาติที่ใช้ฟิสิกส์สถิติ กลศาสตร์ควอนตัม และแมชชีนเลิร์นนิงเพื่อศึกษาว่าคุณสมบัติของน้ำเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่ออยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนี้ จากการวิเคราะห์แผนภาพเฟสความดัน-อุณหภูมิของน้ำกักขังระดับนาโนนี้ ตามที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ทีมงานพบว่ามันแสดงเฟส "hexatic" ระดับกลางและมีความนำไฟฟ้าสูง
คุณสมบัติของน้ำในระดับนาโนอาจแตกต่างจากที่เราเชื่อมโยงกับน้ำปริมาณมาก ท่ามกลางลักษณะพิเศษอื่น ๆ น้ำระดับนาโนมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำผิดปกติ ไหลแทบไม่มีแรงเสียดทานและสามารถอยู่ในเฟสน้ำแข็งสี่เหลี่ยม
การศึกษาน้ำกักนาโนมีการใช้งานจริงที่สำคัญ น้ำส่วนใหญ่ในร่างกายของเราถูกกักขังอยู่ในโพรงแคบๆ เช่น ช่องว่างภายในเซลล์ ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และในเส้นเลือดฝอยขนาดเล็ก หัวหน้าทีมกล่าว เวนคัต คาปิล, นักเคมีเชิงทฤษฎีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์สหราชอาณาจักร. น้ำขังอยู่ในหินหรือติดอยู่ในคอนกรีตก็เช่นเดียวกัน การทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำนี้อาจเป็นศูนย์กลางของชีววิทยา วิศวกรรมศาสตร์ และธรณีวิทยา นอกจากนี้ยังอาจมีความสำคัญสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์นาโนที่เป็นน้ำในอนาคตและสำหรับการใช้งาน เช่น นาโนฟลูอิดิกส์ วัสดุอิเล็กโทรไลต์ และการแยกเกลือออกจากน้ำ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยได้ประดิษฐ์เส้นเลือดฝอยที่ไม่ชอบน้ำเทียมด้วยขนาดนาโน วิธีนี้ช่วยให้พวกเขาสามารถวัดคุณสมบัติของน้ำเมื่อไหลผ่านช่องแคบจนโมเลกุลของน้ำไม่มีที่ว่างเพียงพอที่จะแสดงรูปแบบพันธะไฮโดรเจนตามปกติ
หนาเพียงโมเลกุลเดียว
ในงานล่าสุด Kapil และคณะได้ศึกษาน้ำที่ขังอยู่ระหว่างแผ่นที่มีลักษณะคล้ายกราฟีนสองแผ่น โดยที่ชั้นน้ำจะมีความหนาเพียงโมเลกุลเดียว โดยใช้การจำลองแบบอะตอมมิกซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสทั้งหมดในระบบ พวกเขาคำนวณแผนภาพเฟสความดัน-อุณหภูมิของน้ำ แผนภาพนี้ ซึ่งแสดงอุณหภูมิบนแกนหนึ่งและอีกแกนหนึ่ง เผยให้เห็นเฟสที่เสถียรที่สุดของน้ำในสภาวะความดัน-อุณหภูมิที่กำหนด
"การจำลองเหล่านี้มักจะมีราคาแพงมากในการคำนวณ ดังนั้นเราจึงรวมแนวทางที่ล้ำสมัยหลายอย่างโดยใช้ฟิสิกส์สถิติ กลศาสตร์ควอนตัม และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อลดต้นทุนนี้" Kapil กล่าว โลกฟิสิกส์. "การประหยัดเชิงคำนวณเหล่านี้ทำให้เราสามารถจำลองระบบที่ความดันและอุณหภูมิต่างๆ ได้อย่างจริงจัง และประเมินระยะที่เสถียรที่สุด"
นักวิจัยพบว่าน้ำที่มีชั้นเดียวมีพฤติกรรมของเฟสที่แตกต่างกันอย่างน่าประหลาดใจซึ่งมีความไวสูงต่ออุณหภูมิและความดันที่กระทำภายในช่องนาโน ในบางระบบ ระบบจะแสดงเฟส "hexatic" ซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างของแข็งและของเหลวตามที่คาดการณ์โดยทฤษฎี KTHNY ที่เรียกว่าซึ่งอธิบายการละลายของผลึกในการกักขังแบบ 2 มิติ ทฤษฎีนี้ทำให้นักพัฒนาได้รับ 2016 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ เพื่อพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมเฟสของของแข็ง 2 มิติ
การนำไฟฟ้าสูง
นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าน้ำที่มีความเข้มข้นระดับนาโนนำไฟฟ้าได้สูง โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแบตเตอรี่ 10–1000 เท่า พวกเขายังพบว่ามันหยุดอยู่ในระยะโมเลกุล “อะตอมของไฮโดรเจนเริ่มเคลื่อนไหวเกือบจะเหมือนกับของเหลว แม้ว่าจะเป็นโครงข่ายของออกซิเจน พูดเหมือนเด็กๆ วิ่งผ่านเขาวงกต” Kapil อธิบาย “ผลลัพธ์นี้น่าทึ่งมาก เนื่องจากเฟสเหนือไอออนแบบ 'มวล' แบบปกตินั้นคาดว่าจะเสถียรในสภาวะสุดขั้ว เช่น ภายในดาวเคราะห์ยักษ์ เราสามารถทำให้มันเสถียรได้ภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง
David Thouless, Duncan Haldane และ Michael Kosterlitz คว้ารางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2016
“ดูเหมือนว่าการกักขังวัสดุในแบบ 2D สามารถนำไปสู่คุณสมบัติหรือคุณสมบัติที่น่าสนใจมาก ซึ่งวัสดุจำนวนมากของพวกมันจะแสดงในสภาวะที่รุนแรงเท่านั้น” เขากล่าวต่อ “เราหวังว่าการศึกษาของเราจะช่วยเปิดเผยวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตาม เป้าหมายที่ใหญ่กว่าของเราคือทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ภายใต้สภาวะที่ซับซ้อนมาก เช่น ภายในร่างกายของเรา”
ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยจาก University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University และ Tohoku University, Sendai หวังว่าจะได้สังเกตขั้นตอนที่พวกเขาได้จำลองขึ้นในการทดลองในโลกแห่งความเป็นจริง “เรากำลังศึกษาวัสดุ 2 มิติอื่นๆ ที่ไม่ใช่วัสดุคล้ายกราฟีน เนื่องจากระบบเหล่านี้สามารถสังเคราะห์และศึกษาในห้องปฏิบัติการได้ในหลักการ” Kapil เปิดเผย “ดังนั้นการเปรียบเทียบแบบตัวต่อตัวกับการทดลองจึงควรเป็นไปได้ – ไขว้นิ้ว”
ผลงานปัจจุบันมีรายละเอียดใน ธรรมชาติ.
