Khi nước bị mắc kẹt trong các khoang hẹp có kích thước nano, nó sẽ chuyển sang một pha trung gian không phải là rắn cũng không phải lỏng mà ở đâu đó ở giữa. Đây là phát hiện của một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã sử dụng vật lý thống kê, cơ học lượng tử và học máy để nghiên cứu các tính chất của nước thay đổi như thế nào khi nó bị giới hạn trong những không gian nhỏ như vậy. Bằng cách phân tích sơ đồ pha áp suất-nhiệt độ của nước giới hạn nano này, như đã biết, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nó thể hiện pha “hexatic” trung gian và cũng dẫn điện cao.
Các tính chất của nước ở cấp độ nano có thể rất khác so với các tính chất mà chúng ta liên kết với nước khối lượng lớn. Trong số các đặc điểm khác thường khác, nước kích thước nano có hằng số điện môi thấp bất thường, chảy hầu như không có ma sát và có thể tồn tại ở pha băng vuông.
Nghiên cứu về nước giới hạn nano có những ứng dụng quan trọng trong thế giới thực. Trưởng nhóm lưu ý: Phần lớn nước trong cơ thể chúng ta bị giam giữ trong các khoang hẹp như không gian bên trong tế bào, giữa các màng và trong các mao mạch nhỏ. Venkat Kapil, một nhà hóa học lý thuyết và nhà khoa học vật liệu tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh. Điều này cũng đúng với nước bị khóa bên trong đá hoặc bị mắc kẹt trong bê tông. Do đó, hiểu được hành vi của nước này có thể là trung tâm của sinh học, kỹ thuật và địa chất. Nó cũng có thể quan trọng để phát triển các thiết bị nano chứa nước trong tương lai và cho các ứng dụng như chất lỏng nano, vật liệu điện phân và khử muối nước.
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo được các mao mạch kỵ nước nhân tạo với kích thước nano. Điều này cho phép họ đo các đặc tính của nước khi nó đi qua các kênh hẹp đến mức các phân tử nước không có đủ không gian để hiển thị kiểu liên kết hydro thông thường của chúng.
Chỉ dày một phân tử
Trong công trình mới nhất, Kapil và các đồng nghiệp đã nghiên cứu nước bị mắc kẹt giữa hai tấm giống như graphene, sao cho lớp nước chỉ dày một phân tử. Sử dụng các mô phỏng nguyên tử, nhằm mô hình hóa hành vi của tất cả các electron và hạt nhân trong một hệ thống, họ đã tính toán sơ đồ pha nhiệt độ-áp suất của nước. Biểu đồ này, biểu thị nhiệt độ trên một trục và áp suất trên trục kia, cho thấy pha ổn định nhất của nước ở điều kiện nhiệt độ-áp suất nhất định.
“Những mô phỏng này thường rất tốn kém về mặt tính toán, vì vậy chúng tôi đã kết hợp nhiều phương pháp tiên tiến nhất dựa trên vật lý thống kê, cơ học lượng tử và học máy để giảm chi phí này,” Kapil nói Thế giới vật lý. “Những khoản tiết kiệm tính toán này cho phép chúng tôi mô phỏng nghiêm ngặt hệ thống ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau, đồng thời ước tính các pha ổn định nhất.”
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nước đơn lớp có hành vi pha đa dạng đáng ngạc nhiên, rất nhạy cảm với nhiệt độ và áp suất tác động trong kênh nano. Trong một số chế độ nhất định, nó cho thấy pha “hexatic”, là pha trung gian giữa chất rắn và chất lỏng như dự đoán của cái gọi là lý thuyết KTHNY mô tả sự nóng chảy của các tinh thể trong sự giam cầm 2D. Lý thuyết này mang lại cho các nhà phát triển của nó Giải Nobel Vật lý năm 2016 để nâng cao hiểu biết của chúng ta về hành vi pha của chất rắn 2D.
Độ dẫn điện cao
Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng nước có cấu trúc nano trở nên dẫn điện cao, với độ dẫn điện cao gấp 10–1000 lần so với vật liệu pin. Họ cũng phát hiện ra rằng nó không còn tồn tại trong giai đoạn phân tử. Kapil giải thích: “Các nguyên tử hydro bắt đầu chuyển động gần giống như một chất lỏng xuyên qua một mạng oxy, chẳng hạn như những đứa trẻ chạy trong mê cung. “Kết quả này rất đáng chú ý vì pha mê tín 'số lượng lớn' thông thường như vậy chỉ được cho là ổn định trong những điều kiện khắc nghiệt như bên trong các hành tinh khổng lồ. Chúng tôi đã có thể ổn định nó trong điều kiện ôn hòa.
David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz giành giải Nobel Vật lý 2016
Ông tiếp tục: “Có vẻ như việc giới hạn các vật liệu ở dạng 2D có thể dẫn đến các tính chất hoặc tính chất rất thú vị mà các đối tác số lượng lớn của chúng chỉ thể hiện ở những điều kiện khắc nghiệt. “Chúng tôi hy vọng nghiên cứu của mình sẽ giúp tiết lộ những vật liệu mới với những đặc tính thú vị. Tuy nhiên, mục tiêu lớn hơn của chúng tôi là hiểu về nước, đặc biệt là khi nó chịu những điều kiện rất phức tạp như bên trong cơ thể chúng ta.”
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học College London, Đại học Napoli Federico II, Đại học Bắc Kinh và Đại học Tohoku, Sendai, hiện hy vọng có thể quan sát các giai đoạn mà họ đã mô phỏng trong các thí nghiệm trong thế giới thực. Kapil tiết lộ: “Chúng tôi cũng đang nghiên cứu các vật liệu 2D khác với vật liệu giống như graphene vì các hệ thống này về nguyên tắc có thể được tổng hợp và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. “Do đó, nên có thể so sánh trực tiếp với các thử nghiệm – các ngón tay bắt chéo.”
Công việc hiện tại được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên.
