Kvadratisk is mellan två grafenark sett i ett transmissionselektronmikroskop. Mörka fläckar med hög kontrast är syreatomer som indikerar positioner av vattenmolekyler. Väteatomer ger för lite kontrast för att lösas även med den toppmoderna TEM. Den övre högra insatsen visar en förstorad bild av ett litet område i mitten av iskristallen. Kredit:Universitetet i Ulm, Tyskland
Genombrottsfynden, rapporteras i tidningen Natur , möjliggöra bättre förståelse av vattens kontraintuitiva beteende i molekylskala och är viktiga för utveckling av effektivare teknik inklusive filtrering, avsaltning och destillation.
Vatten är en av de mest kända och rikliga ämnena på jorden. Det finns i många former, som flytande, ånga och så många som 15 kristallstrukturer av is, med den vanligt förekommande sexkantiga isen som enbart ansvarar för den fascinerande variationen av snöflingor.
Mindre märkbart men lika allestädes närvarande är vatten vid gränssnitt och begränsat i mikroskopiska porer. Faktiskt, några vattenlager täcker varje yta runt oss, även i torraste öknar, och fyll i varenda mikroskopisk spricka, till exempel, de som finns i stenar.
Än, mycket lite är känt om strukturen och beteendet hos sådant mikroskopiskt vatten, särskilt när det är dolt från vyn, i kapillärer djupt inuti ett bulkmaterial.
Ett internationellt team av forskare från University of Manchester, University of Ulm i Tyskland och University of Science and Technology i Kina har skapat en genomskinlig nanoskala kapillär för att undersöka atomstrukturen för vatten som fångas inuti. De använde elektronmikroskopi med hög förstoring som gjorde att de kunde se enskilda vattenmolekyler, och nanokapillären gjordes av grafen som är en atom tjock och inte döljer elektronmikroskopi avbildning.
Till deras förvåning, forskarna hittade små fyrkantiga iskristaller vid rumstemperatur, förutsatt att grafenkapillärerna var tillräckligt smala, tillåter inte mer än tre atomlager av vatten. Vattenmolekyler bildade ett fyrkantigt gitter, sitter längs jämnt fördelade snygga rader som löper vinkelrätt mot varandra. Ett sådant platt fyrkantigt arrangemang är helt okarakteristiskt för vatten vars molekyler alltid bildar små pyramidala strukturer inuti alla de tidigare kända isarna.
Med hjälp av datasimuleringar, forskarna försökte också hitta hur vanligt kvadratisk is i naturen. Resultaten visar att om vattenskiktet är tillräckligt tunt, det bör bilda fyrkantig is oberoende av en exakt kemisk sammansättning av begränsande väggar i en nanopor.
Därför, det är troligt att fyrkantig is är mycket vanligt på molekylskala och förekommer vid spetsen av varje mikroskopisk spricka eller por i något material.
Professor Irina Grigorieva, som ledde Manchester -delen av ansträngningarna, kommenterade:"Forskare försökte förstå vattenstrukturen i begränsade kanaler i decennier men fram till nu var det bara möjligt genom datorsimuleringar, och resultaten stämde ofta inte överens med varandra ”.
Datorsimuleringar av fyrkantig is. Typisk ögonblicksbild erhållen i molekylära dynamiksimuleringar av ett monoskikt av vatten inuti grafen nanokapillär. Röda och vita cirklar är syre- och väteatomer, respektive; korta blå linjer indikerar vätebindningar mellan vattenmolekyler. Kredit:University of Science and Technology of China
"Mikroskopiska sprickor, porer, kanaler finns överallt, och inte bara på denna planet. Att veta att vatten i nanoskala beter sig så annorlunda än vanligt bulkvatten är viktigt för bättre förståelse av material. "
Sir Andre Geim, som fick ett Nobelpris för grafen och nu skrev skrivningen, sade:"Den här studien stimulerades av våra tidigare observationer av ultrasnabbt flöde av vatten genom grafen-nanokapillärer. Vi spekulerade till och med att detta kan bero på tvådimensionell fyrkantig is ... men att se är att tro."
Han tillade:"Vatten är förmodligen det mest studerade ämnet någonsin men ingen trodde att is kan vara fyrkantig. Denna berättelse visar hur mycket ny kunskap som återstår att avslöja när man går ner till nanoskala."
