Коли вода потрапляє у вузькі нанорозмірні порожнини, вона переходить у проміжну фазу, яка не є ні твердою, ні рідкою, а десь посередині. Це висновок міжнародної групи дослідників, які використовували статистичну фізику, квантову механіку та машинне навчання, щоб дослідити, як змінюються властивості води, коли вона обмежена в такому малому просторі. Аналізуючи фазову діаграму тиск-температура цієї нанообмеженої води, як відомо, команда виявила, що вона демонструє проміжну «гексатичну» фазу, а також має високу провідність.
Властивості води на нанорозмірі можуть сильно відрізнятися від тих, які ми асоціюємо з масовою водою. Серед інших незвичайних особливостей нанорозмірна вода має аномально низьку діелектричну проникність, тече майже без тертя і може існувати у квадратній фазі льоду.
Дослідження нанообмеженої води має важливе застосування в реальному світі. Велика частина води в наших тілах міститься у вузьких порожнинах, таких як простір всередині клітин, між мембранами та в дрібних капілярах, зазначає керівник групи. Венкат Капил, хімік-теоретик і матеріалознавець в Кембриджський університет, Великобританія. Те ж саме стосується води, яка затримана в скелях або бетоні. Тому розуміння поведінки цієї води може бути центральним для біології, інженерії та геології. Це також може бути важливим для розробки майбутніх водних нанопристроїв і для таких застосувань, як нанофлюїдика, електролітичні матеріали та опріснення води.
В останні роки дослідники виготовили штучні гідрофобні капіляри з нанорозмірами. Це дозволило їм виміряти властивості води, коли вона проходить через канали, які настільки вузькі, що молекулам води не вистачає місця для відображення їх звичайної моделі водневих зв’язків.
Товщиною всього в одну молекулу
В останній роботі Капіл і його колеги досліджували воду, яка потрапила в пастку між двома листами, схожими на графен, таким чином, що шар води був товщиною всього в одну молекулу. Використовуючи атомістичне моделювання, метою якого є моделювання поведінки всіх електронів і ядер у системі, вони розрахували фазову діаграму тиск-температура води. Ця діаграма, яка відкладає температуру на одній осі, а тиск на іншій, показує найбільш стабільну фазу води за даного режиму тиску та температури.
«Це моделювання, як правило, дуже дороге з точки зору обчислень, тому ми об’єднали багато найсучасніших підходів, заснованих на статистичній фізиці, квантовій механіці та машинному навчанні, щоб зменшити ці витрати», — розповідає Капіл. Світ фізики. «Ця економія обчислювальних засобів дозволила нам ретельно змоделювати систему при різних тисках і температурах і оцінити найбільш стабільні фази».
Дослідники виявили, що моношарова вода може похвалитися напрочуд різноманітною фазовою поведінкою, яка дуже чутлива до температури та тиску, що діють усередині наноканалу. У певних режимах він демонструє «гексатичну» фазу, яка є проміжною між твердою та рідкою речовинами, як передбачено так званою теорією KTHNY, яка описує плавлення кристалів у двовимірному обмеженні. Ця теорія заслужила своїм розробникам 2016 Нобелівська премія з фізики для покращення нашого розуміння фазової поведінки 2D твердих тіл.
Висока електропровідність
Дослідники помітили, що нанообмежена вода стає високопровідною, з електропровідністю в 10–1000 разів вищою, ніж у матеріалів акумуляторів. Вони також виявили, що він перестає існувати в молекулярній фазі. «Атоми водню починають рухатися майже як рідина через решітку кисню, скажімо, як діти, що біжать крізь лабіринт», — пояснює Капіл. «Цей результат чудовий, оскільки очікується, що така звичайна «об’ємна» суперіонна фаза буде стабільною лише в екстремальних умовах, таких як нутро планет-гігантів. Нам вдалося стабілізувати його за м’яких умов.
Девід Таулесс, Дункан Холдейн і Майкл Костерліц отримали Нобелівську премію з фізики 2016 року
«Схоже, що обмежувальні матеріали в 2D можуть призвести до дуже цікавих властивостей або властивостей, які їхні масові аналоги демонструють лише в екстремальних умовах», – продовжує він. «Ми сподіваємося, що наше дослідження допоможе відкрити нові матеріали з цікавими властивостями. Однак наша більша мета — зрозуміти воду, особливо коли вона піддається дуже складним умовам, наприклад, усередині нашого тіла».
Команда, до якої входять дослідники з Університетського коледжу Лондона, Університету Неаполі Федеріко II, Пекінського університету та Університету Тохоку, Сендай, тепер сподівається спостерігати фази, які вони змоделювали в експериментах у реальному світі. «Ми також вивчаємо 2D-матеріали, відмінні від графеноподібних, оскільки ці системи в принципі можна синтезувати та вивчати в лабораторії», — розповідає Капіл. «Отже, має бути можливе однозначне порівняння з експериментами — схрещуємо пальці».
Дана робота детально описана в природа.
