Vattenmolekyler (röda och vita bollar) som bildar en kedja i ett kolnanorör (blått gitter) orienterar sig normalt slumpmässigt (gula pilar; vänster, överdel och underdel). När temperaturen sjunker (höger), emissionsfärgen för ett tomt nanorör visar en gradvis förskjutning (tomma datapunkter) medan en plötslig förskjutning i emissionsfärgen kan ses vid 150 K i nanoröret fyllt med vatten (fyllda datapunkter). Denna förändring tillskrivs en oväntad ferroelektrisk inriktning av vattenmolekylerna inneslutna i nanoröret (vänster, mitten). Kredit:Wim Wenseleers, universitetet i Antwerpen
Enkelväggiga kolnanorör fungerar som små strån som är så smala att vatten inneslutet inte kan frysa in i sin normala kristallliknande struktur. Särskilt, i mycket tunna nanorör, vattenmolekyler riktar in sig på ett sätt med en enda fil. Vid rumstemperatur, varje molekyl förblir orienterad i en slumpmässig riktning, skapa en oordnad kedja. För första gången, forskare observerade att vid svala 150 K, dessa molekyler går igenom en kvasifasövergång. I denna övergång, molekylerna orienterar sig i en högstrukturerad, klassiskt vätebundet arrangemang.
Rent vatten är viktigt för människor, grödor och boskap. Teknik som använder kolnanorör kan gynna vattenrening och avsaltning. Att skapa sådana anordningar kräver att man vet hur vatten som är inneslutet i sådana rör beter sig. Också, att veta hur vatten beter sig i trånga utrymmen kommer att hjälpa forskare att studera andra komplexa system, till exempel hur gifter rör sig genom cellväggarna.
Medan forskare har känt till att molekyler som är instängda i enkelväggiga nanorör beter sig annorlunda än sina bulkmotsvarigheter, det har tidigare varit omöjligt att studera dessa interaktioner i en verkligt enhetlig miljö. För första gången, forskare har kunnat välja nanorör av samma kiralitet och med en mycket liten diameter som bara kan fyllas med en vattenmolekyl efter den andra, ger en enfilskedja. Genom att studera fotoluminescensegenskaperna hos tomma nanorör jämfört med vattenfyllda nanorör, forskare märkte en plötslig förändring i emissionsfärgen för fyllda nanorör vid ~150 K. Tidigare studier hade observerat mer generella förändringar, men forskare kunde inte bestämma den exakta temperaturen för skiftet och kunde bara spekulera i orsaken bakom skiftet. I detta kontrollerade experiment, där en direkt jämförelse gjordes mellan vattenfyllda och tomma nanorör, forskare upptäckte mycket ordnade strukturer av vatten i dessa nanorör, ett tillstånd som tidigare bara hade förutspåtts genom teoretiska simuleringar.
Gruppen utförde vidare molekylära dynamiksimuleringar på detta system som en funktion av temperaturen. De fastställde att vattendipolorientering är grunden för fasövergången. Detta fynd ger utrymme för mer teori för att förklara kvasifasövergången medan hela studien främjar förståelsen av instängda molekyler för användning vid studier av komplexa naturliga system och utveckling av nya mikrofluidiska tillämpningar.
