Vatten och is kanske inte är bland de första sakerna som kommer att tänka på när du tänker på enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs), men ett Japan-baserat forskarlag som hoppas på att få en tydligare förståelse av fasbeteendet hos instängt vatten i de cylindriska porerna i kolnanorören nollställde instängda vattens egenskaper och gjorde några överraskande upptäckter.

Laget, från Tokyo Metropolitan University, Nagoya University, Japan Science and Technology Agency, och National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, beskriver deras fynd i American Institute of Physics' Journal of Chemical Physics .

Även om kolnanorör består av hydrofoba (vattenavvisande) grafenark, experimentella studier på SWCNT visar att vatten verkligen kan begränsas i öppna kolnanorör.

Denna upptäckt ger oss en djupare förståelse av egenskaperna hos nanobegränsat vatten i porerna i SWCNT, som är en nyckel till framtiden för nanovetenskap. Det förväntas att nanoinneslutet vatten i kolnanorör kan öppna dörren till utvecklingen av en mängd snygga nya nanotings – nanofiltreringssystem, molekylära nanoventiler, molekylära vattenpumpar, kraftceller i nanoskala, och även ferroelektriska enheter i nanoskala.

"När material är begränsade till atomskala uppvisar de ovanliga egenskaper som inte observeras på annat sätt, på grund av den så kallade "nanokonfineringseffekten". I geologi, till exempel, nanobegränsat vatten ger drivkraften för frosthöjningar i marken, och även för svällning av lermineraler, " förklarar Yutaka Maniwa, professor vid institutionen för fysik vid Tokyo Metropolitan University. "Vi har experimentellt studerat denna typ av effekt för vatten med hjälp av SWCNTs."

Vatten inom SWCNTs i intervallet 1,68 till 2,40 nanometer genomgår en våt-torr typ av övergång när temperaturen sänks. Och teamet upptäckte att när SWCNTs är extremt smala, vattnet inuti bildar tubuli isar som skiljer sig ganska mycket från alla bulk-isar som är kända hittills. Slående, deras smältpunkt stiger när SWCNT-diametern minskar - i motsats till den för bulkvatten inuti en kapillär med stor diameter. Faktiskt, tubuli is förekom även vid rumstemperatur inuti SWCNTs.

"Vi utökade våra studier till SWCNT med större diameter upp till 2,40 nanometer och föreslog framgångsrikt ett globalt fasbeteende för vatten, "säger Maniwa." Detta fasdiagram (se figur) täcker en övergång från mikroskopiska till makroskopiska regioner. I den makroskopiska regionen, en ny våt-torr-övergång har nyligen utforskats vid låg temperatur."

Sådana resultat bidrar till en större förståelse för grundvetenskap eftersom nanokonfinerat vatten finns och spelar en viktig roll överallt på jorden - inklusive våra kroppar. "Att förstå den nanokonfinierade effekten på materialegenskaper är också avgörande för att utveckla nya enheter, såsom protonledande membran och nanofiltrering, "Anteckningar från Maniwa.

Nästa, teamet planerar att undersöka de fysikaliska egenskaperna hos begränsat vatten som hittats så långt inuti SWCNT (t.ex. dielektricitet och protonledning). De kommer att driva detta för att få en bättre förståelse av den molekylära strukturen och transportegenskaperna i biologiska system.