Den moderna civilisationen förlitar sig på vattnets inkomprimerbarhet - det är något vi tar för givet. Hydrauliska system utnyttjar den virtuella icke-komprimerbarheten av vätskor som vatten eller olja för att multiplicera mekanisk kraft. Bulldozers, kranar, och andra tunga maskiner utnyttjar hydraulikens fysik, liksom bilbromsar, brand sprinklersystem, och kommunala vatten- och avfallssystem. Det krävs extraordinärt tryck för att komprimera vatten. Även på botten av de djupaste haven, två och en halv mil under ytan, där trycket är lika med cirka 1000 atmosfärer, vatten komprimeras med bara 5 procent.

Men nu har forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign förutspått ny fysik som styr kompression av vatten under ett höggradigt elektriskt fält.

Fysikprofessor Aleksei Aksimentiev och hans postdoktoralforskare James Wilson fann att ett högt elektriskt fält applicerat på ett litet hål i ett grafenmembran skulle komprimera vattenmolekylerna som passerar genom poren med 3 procent. Den förutspådda vattenkomprimeringen kan så småningom visa sig vara användbar vid högprecisionsfiltrering av biomolekyler för biomedicinsk forskning.

Dessa resultat publicerades 26 juni, 2018, i Fysiska granskningsbrev (120, 268101) som ett redaktörsförslag. "Detta är ett oväntat fenomen, tvärtemot vad vi trodde att vi visste om nanoportransport. Det tog tre år att räkna ut vad det var simuleringarna visade oss. Efter att ha undersökt många möjliga lösningar, genombrottet kom när vi insåg att vi inte ska anta att vatten är inkomprimerbart. Nu när vi förstår vad som händer i datasimuleringarna, vi kan reproducera detta fenomen i teoretiska beräkningar. "

Forskarna genomförde denna studie för att testa nya metoder för grafen-nanopore DNA-sekvensering. Under de senaste åren har grafen nanoporer har visat ett enormt löfte för billig DNA -sekvensering. Hur det fungerar, DNA suspenderas i vatten och sedan DNA, vatten och joner dras av ett elektriskt fält genom ett litet hål i ett grafenmembran. Det elektriska fält som appliceras över grafenarket drar till sig de upplösta jonerna och eventuella laddade partiklar - DNA är en negativt laddad partikel. DNA:s fyra nukleobaser läses som skillnaderna i flödet av joner som varje distinkt formad nukleobas producerar.

Hålets storlek och arkets tunnhet är avgörande för denna metod. Grafenarket är bara en atom tjockt, nanoporns diameter mäter endast cirka 3 nanometer eller bredden på 10 atomer, och DNA -molekylerna mäter cirka 2 nanometer i bredd.

I den här studien, Aksimentiev och Wilson bestämde sig för att utveckla en beräkningsmodell som skulle göra det möjligt för dem att kontrollera DNA:s transporthastighet genom en grafenanopor. De visste att ökning av det applicerade elektriska fältet skulle öka transporthastigheten med samma multipel, men när de tiofaldigade fältet, DNA blockerades helt från att passera genom hålet.

Wilson beskriver vad han såg i simuleringen:"Vi försökte se om vi ändrade laddningen på grafenarket, om det skulle förändra fångsthastigheten för DNA:t som förutsagt. Våra simuleringar visade att DNA går genom nanoporen som förväntat vid lägre elektriska fält, men när du använder 1 volt, DNA:t ser ut att dansa ovanför nanoporen - som om det vill gå igenom, men av någon anledning kan det inte.

"Det visar sig att det elektriska fältets gradient är det som komprimerar vattnet, eftersom vatten är ett dielektrikum. Ett mycket högt elektriskt fält kommer inte att göra detta, bara ett fält som förändras över rymden. Laddningarna på vattenmolekylen överensstämmer med det elektriska fältet, och laddningarna som är närmare där det elektriska fältet är högst dras hårdare än laddningarna närmare där det elektriska fältet är svagast. "

Aksimentiev tillägger, "All of this only works because the membrane is so thin, and the electric field is focused where the membrane is, compressing the water molecule from both sides. The compression is only 3 percent, but that pressurizes the water—it's equivalent to 100 atmospheres—and the pressure basically pushes the DNA back so that it cannot travel through the nanopore."Wilson continues, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."