Figur 1:Vätebindningsstrukturer av sex isar bildade i nanorören:(a) (4, 0)is, (b) (5, 0) is och (c) fylld (6, 0) is med en diameter på 1,11 nm, (d) (6, 0) is, (e) fylld (7, 0) is och (f) fylld (8, 0) is med en diameter av 1,25 nm. Ovanifrån och motsvarande sidovy ritas i linje med varandra. Centrala vattenmolekyler som bildar en kedja i de fyllda isarna är färgade röda för att skilja dem från de yttre ringarna.
Många fysiker accepterar inte idén att en fast-vätskefasgräns kan avslutas vid en kritisk punkt - ett unikt tillstånd där två faser förlorar sina separata identiteter. Varför gör de inte det? Den auktoritativa läroboken av Landau och Lifshitz säger att "vi kan bara säga att en viss symmetriegenskap går ut eller inte existerar; ... Den kritiska punkten kan därför inte existera för sådana faser." Men sedan 2001, Möjligheten för den fasta-vätska-kritiska punkten har rapporterats i datorsimuleringsstudier av vatten i nanoporer. Faktiskt, det finns inga rigorösa bevis för att den kritiska punkten fast-vätska inte existerar.
Kenji Mochizuki och Kenichiro Koga vid Okayama University gav entydiga bevis för att stödja den fasta-vätske-kritiska punkten för en klass av vatten i nanorör genom att utföra omfattande simuleringar av molekylär dynamik:makroskopisk fast-vätskefasseparation under en kritisk temperatur Tc, divergerande värmekapacitet och isotermisk kompressibilitet runt Tc, och loci för svarsfunktionsmaxima (Widom-linjerna) ovanför Tc.
Figur 1 visar vätebindningsstrukturerna för sex iskristaller bildade i kolnanorör med diametrar på 1,11 nm och 1,25 nm. Forskarna fann att alla första ordningens fasgränser mellan isen och vätskan så småningom upphörde att existera vid de kritiska punkterna, som visas i figur 2. T-P fasdiagrammet skiljer sig mycket från det för bulkvatten, där isområden är helt omgivna av första ordningens fasgränser (heldragna svarta linjer).
Forskarna gav också en mikroskopisk förklaring till en enkel, ännu obesvarat, fråga:hur kan flytande vatten kontinuerligt frysa till kristallin is? De hittade dynamiska fluktuationer av mikroskopiska domäner av vatten och is nära den kritiska punkten - en mikroskopisk bild av vatten under loppet av gradvis frysning eller smältning.
De kritiska punkterna i slutet vatten är allestädes närvarande och kan hittas vid omgivningsförhållanden genom att justera pordiametern, och därför är en av de potentiella tillämpningarna att använda de avstämbara kritiska fluktuationerna för att underlätta kemiska reaktioner, strukturella förändringar i biologiska molekyler, och bildning av biomolekyler i vatten.
Figur 2:Fasdiagram av (a) bulkvatten, b) vatten inneslutet i nanoröret med en diameter av 1,11 nm, och (c) 1,25 nm. Fasdiagrammen för (b) och (c) avslöjas först i denna studie. Solida områden är färgade i blått och kritiska punkter indikeras med röda cirklar.
