Forskare hittar ofta konstiga och oväntade saker när de tittar på material på nanoskala - nivån på enstaka atomer och molekyler. Detta gäller även för de vanligaste materialen, som vatten.

Exempel:Under de senaste åren har forskare har observerat att vatten spontant rinner in i extremt små rör av grafit eller grafen, kallas kolnanorör. Denna oväntade observation är spännande eftersom kolnanorör håller löften i de framväxande områdena nanofluidik och nanofiltrering, där nanorör kan hjälpa till att upprätthålla små flöden eller separera föroreningar från vatten. Dock, ingen har lyckats förklara varför, på molekylär nivå, en stabil vätska skulle vilja begränsa sig till ett så litet område.

Nu, med hjälp av en ny metod för att beräkna dynamiken i vattenmolekyler, Caltech -forskare tror att de har löst mysteriet. Det visar sig att entropi, en mätning av störning, har varit den saknade nyckeln.

"Det är ett ganska överraskande resultat, "säger William Goddard, Charles och Mary Ferkel, professor i kemi, Materialvetenskap, och tillämpad fysik på Caltech och chef för Material- och processimuleringscentret. "Folk fokuserar normalt på energi i detta problem, inte entropi. "

Det beror på att vatten bildar ett omfattande nätverk av vätebindningar, vilket gör den väldigt stabil. Att bryta dessa starka interaktioner kräver energi. Och eftersom vissa bindningar måste brytas för att vatten ska rinna in i små nanorör, det verkar osannolikt att vatten skulle göra det fritt.

"Det vi fann är att det faktiskt är en avvägning, "Goddard säger." Du förlorar en del av den goda energistabiliseringen från bindningen, men i processen vinner du på entropi. "

Entropi är en av drivkrafterna som avgör om en process kommer att ske spontant. Det representerar antalet sätt ett system kan existera i ett visst tillstånd. Ju fler arrangemang som finns tillgängliga för ett system, desto större är dess störning, och ju högre entropi. Och i allmänhet, naturen fortsätter mot oordning.

När vatten är idealiskt bunden, alla vätebindningar låser molekylerna på plats, begränsar deras frihet och håller vattenets entropi låg. Vad Goddard och postdoktor Tod Pascal fann är att i fallet med några nanorör, vatten får tillräckligt med entropi genom att komma in i rören för att uppväga energiförlusterna som uppstår genom att bryta några av dess vätebindningar. Därför, vatten rinner spontant in i rören.

Goddard och Pascal förklarar sina fynd i en artikel som nyligen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) . De tittade på kolnanorör med diametrar mellan 0,8 och 2,7 nanometer och hittade tre olika anledningar till att vatten skulle rinna fritt in i rören, beroende på diameter.

För de minsta nanorören - de mellan 0,8 och 1,0 nanometer i diameter - är rören så små att vattenmolekyler upprättar nästan en enda fil i dem och får ett gasliknande tillstånd. Det betyder att den normala bundna strukturen för flytande vatten bryts ner, ger molekylerna större rörelsefrihet. Denna ökning av entropi drar vatten in i rören.

På nästa nivå, där nanorören har diametrar mellan 1,1 och 1,2 nanometer, begränsade vattenmolekyler ordnar sig i staplade, isliknande kristaller. Goddard och Pascal tyckte att sådana nanorör hade den perfekta storleken - en slags Goldilocks -matchning - för att rymma kristalliserat vatten. Dessa kristallbindande interaktioner, inte entropi, gör det gynnsamt för vatten att rinna in i rören.

På den största undersökta skalan - med rör vars diametrar fortfarande bara är 1,4 till 2,7 nanometer breda - fann forskarna att de begränsade vattenmolekylerna beter sig som flytande vatten. Dock, ännu en gång, några av de normala vätebindningarna bryts, så molekylerna uppvisar mer rörelsefrihet i rören. Och vinsterna i entropi kompenserar mer än förlusten i vätebindande energi.

Eftersom kolnanorörens insidor är alldeles för små för att forskare ska kunna undersöka experimentellt, Goddard och Pascal studerade dynamiken i de begränsade vattenmolekylerna i simuleringar. Med hjälp av en ny metod utvecklad av Goddards grupp med en superdator, de kunde beräkna entropin för de enskilda vattenmolekylerna. Förr, sådana beräkningar har varit svåra och extremt tidskrävande. Men det nya tillvägagångssättet, kallade den tvåfasiga termodynamiska modellen, har gjort bestämningen av entropivärden relativt lätt för alla system.

"De gamla metoderna tog åtta års datorbehandlingstid för att komma fram till samma entropier som vi nu får på 36 timmar, "Säger Goddard.

Teamet körde också simuleringar med hjälp av en alternativ beskrivning av vatten - en där vatten hade sina vanliga egenskaper för energi, densitet, och viskositet, men saknade dess karakteristiska vätebindning. Isåfall, vatten ville inte rinna in i nanorören, ger ytterligare bevis på att vatten är naturligt förekommande lågt entropi på grund av omfattande vätebindning leder till att det spontant fyller kolnanorör när entropin ökar.

Goddard tror att kolnanorör kan användas för att designa supermolekyler för vattenrening. Genom att införliva porer med samma diametrar som kolnanorör, han tror att en polymer kan göras för att suga vatten ur lösningen. En sådan potentiell tillämpning pekar på behovet av en större förståelse för vattentransport genom kolnanorör.