Su, dar, nano ölçekli boşluklarda hapsolduğunda, ne katı ne de sıvı olan, ancak arada bir yerde olan bir ara faza girer. Bu, istatistiksel fizik, kuantum mekaniği ve makine öğrenimini kullanarak suyun özelliklerinin bu kadar küçük alanlara hapsedildiğinde nasıl değiştiğini incelemek için kullanan uluslararası bir araştırma ekibinin bulgusudur. Ekip, bilindiği gibi, bu nano-sınırlı suyun basınç-sıcaklık faz diyagramını analiz ederek, bir ara "hekzatik" faz sergilediğini ve aynı zamanda oldukça iletken olduğunu buldu.
Suyun nano ölçekteki özellikleri, dökme suyla ilişkilendirdiğimiz özelliklerden çok farklı olabilir. Diğer olağandışı özelliklerin yanı sıra, nano ölçekli su, anormal derecede düşük bir dielektrik sabitine sahiptir, neredeyse sürtünmesiz akar ve kare bir buz fazında bulunabilir.
Nano-sınırlı su çalışması, önemli gerçek dünya uygulamalarına sahiptir. Ekip lideri, vücudumuzdaki suyun çoğunun hücre içindeki boşluklar, zarlar arasındaki boşluklar ve küçük kılcal damarlar gibi dar boşluklarla sınırlı olduğunu belirtiyor. Venkat Kapil, teorik kimyager ve malzeme bilimcisi Cambridge Üniversitesi, İngiltere. Aynı şey, kayaların içinde kilitli veya betona hapsolmuş su için de geçerlidir. Bu suyun davranışını anlamak bu nedenle biyoloji, mühendislik ve jeoloji için merkezi olabilir. Gelecekteki sulu nanocihazların geliştirilmesi ve nanoakışkanlar, elektrolit malzemeleri ve suyun tuzdan arındırılması gibi uygulamalar için de önemli olabilir.
Son yıllarda araştırmacılar, nano ölçekli boyutlara sahip yapay hidrofobik kılcal borular ürettiler. Bu, su moleküllerinin normal hidrojen bağ modellerini sergilemek için yeterli alana sahip olmadığı kadar dar kanallardan geçerken suyun özelliklerini ölçmelerini sağlamıştır.
Sadece bir molekül kalınlığında
Son çalışmada, Kapil ve meslektaşları iki grafen benzeri tabaka arasında sıkışan suyu incelediler, öyle ki su tabakası sadece bir molekül kalınlığındaydı. Bir sistemdeki tüm elektronların ve çekirdeklerin davranışını modellemeyi amaçlayan atomistik simülasyonları kullanarak suyun basınç-sıcaklık faz diyagramını hesapladılar. Bir eksende sıcaklığı ve diğerinde basıncı gösteren bu diyagram, belirli bir basınç-sıcaklık koşulunda suyun en kararlı fazını ortaya koymaktadır.
Kapil, "Bu simülasyonlar genellikle hesaplama açısından çok pahalıdır, bu nedenle bu maliyeti azaltmak için istatistiksel fizik, kuantum mekaniği ve makine öğrenimine dayalı birçok modern yaklaşımı birleştirdik" diyor. Fizik dünyası. "Bu hesaplama tasarrufları, sistemi farklı basınç ve sıcaklıklarda titizlikle simüle etmemize ve en kararlı fazları tahmin etmemize olanak sağladı."
Araştırmacılar, tek tabakalı suyun, nanokanal içinde hareket eden sıcaklık ve basınca oldukça duyarlı, şaşırtıcı derecede değişken bir faz davranışına sahip olduğunu buldular. Bazı rejimlerde, kristallerin 2D hapsi içinde erimesini tanımlayan KTHNY teorisi tarafından tahmin edildiği gibi katı ve sıvı arasında bir ara madde olan “hekzatik” bir faz gösterir. Bu teori, geliştiricilerine 2016 Nobel Fizik Ödülü 2D katıların faz davranışı konusundaki anlayışımızı geliştirmek için.
Yüksek elektrik iletkenliği
Araştırmacılar, nano-kapalı suyun, pil malzemelerinden 10-1000 kat daha yüksek bir elektrik iletkenliği ile oldukça iletken hale geldiğini gözlemlediler. Ayrıca moleküler bir fazda varlığının sona erdiğini buldular. Kapil, "Hidrojen atomları, örneğin bir labirentte koşan çocuklar gibi, bir oksijen kafesi içinde neredeyse bir sıvı gibi hareket etmeye başlar" diye açıklıyor. "Bu sonuç dikkat çekicidir, çünkü böyle geleneksel bir 'yığın' süperiyonik fazın yalnızca dev gezegenlerin iç kısımları gibi aşırı koşullarda kararlı olması beklenir. Hafif koşullar altında stabilize edebildik.
David Thouless, Duncan Haldane ve Michael Kosterlitz 2016 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı
"Görünüşe göre malzemeleri 2B'de sınırlamak çok ilginç özelliklere veya toplu muadillerinin yalnızca aşırı koşullarda sergilediği özelliklere yol açabilir" diye devam ediyor. "Çalışmamızın ilginç özelliklere sahip yeni materyallerin ortaya çıkmasına yardımcı olacağını umuyoruz. Ancak daha büyük hedefimiz, özellikle vücudumuzun içi gibi çok karmaşık koşullara maruz kaldığında suyu anlamaktır.”
University College London, Università di Napoli Federico II, Pekin Üniversitesi ve Tohoku Üniversitesi, Sendai'den araştırmacıları içeren ekip, şimdi gerçek dünya deneylerinde simüle ettikleri aşamaları gözlemlemeyi umuyor. Kapil, “Bu sistemler prensipte laboratuvarda sentezlenip incelenebildiğinden, grafen benzeri olanlar dışındaki 2D malzemeleri de inceliyoruz” diyor. "Bu nedenle deneylerle bire bir karşılaştırma mümkün olmalıdır - parmaklar çarpıştı."
Mevcut çalışma ayrıntılı olarak Tabiat.
