Mätning av krafter mellan hydrofoba ytor vid molekylär upplösning pekar på bidraget från kvantnaturen hos vattnets väteatomer till den hydrofoba interaktionen. Kredit:2019 KAUST; Xavier Pita
Från regndroppar som rullar av den vaxartade ytan på ett näckrosblad till effektiviteten hos avsaltningsmembran, interaktioner mellan vattenmolekyler och vattenavvisande "hydrofoba" ytor finns runt omkring oss. Samspelet blir ännu mer spännande när ett tunt vattenlager hamnar mellan två hydrofoba ytor, KAUST-forskare har visat.
I början av 1980-talet forskare noterade först en oväntad effekt när två hydrofoba ytor långsamt fördes samman i vatten. "Vid något tillfälle, de två ytorna skulle plötsligt hoppa i kontakt – som två magneter som fördes samman, " säger Himanshu Mishra från KAUSTs Water Desalination and Reuse Center. Mishras labb undersöker vatten i alla längdskalor, från att minska vattenförbrukningen inom jordbruket, till egenskaperna hos enskilda vattenmolekyler.
Forskare kunde inte förklara fenomenet på molekylär nivå, så 2016, Mishra anordnade en KAUST-konferens i ämnet. "Vi sammanförde ledare inom området - experimentalister och teoretiker - vilket ledde till intensiva debatter om förståelsen av hydrofoba ytkrafter, " han säger.
En del av utmaningen var att den hydrofoba interaktionen är unik för vatten. "Att få insikter genom andra vätskor eller tillsätta hjälplösningsmedel till vatten är inte möjligt:interaktionen minskar dramatiskt eller går förlorad, " förklarar Buddha Shrestha, en postdoktor i Mishras labb.
Buddha Shreshtha laddar en kiselskiva med en ultraslät yta som avslutas med per fluorkolväten bestående av 10 kolatomer. Kredit:© 2019 KAUST
Inspirerad av konferensen, Mishra kom på idén att jämföra vanligt vatten med "tungt vatten, " där väteatomerna ersätts av en tyngre väteisotop som kallas deuterium.
"Våra ytkraftsmätningar visade att attraktionskraften alltid var cirka 10 procent högre i H 2 O än i D 2 O, " säger Sreekiran Pillai, en Ph.D. student i Mishras labb. Samarbetar med Tod Pascal vid University of California San Diego, teamet kom med en förklaring.
Ju mindre föremål, ju mindre strikt den styrs av den klassiska fysikens lagar och desto mer är den föremål för kvanteffekter. Den lilla väteatomen är ett kvantobjekt - ibland beter sig som en partikel, ibland mer som en våg. Deuterium, dubbelt så tung som väte, är mindre utsatt för kvanteffekter. Konsekvensen är att D 2 O är mindre destabiliserad än H 2 O när den kläms mellan två hydrofoba ytor och vätebindningarna mellan vattenmolekyler bryts.
Buddha Shreshtha (vänster) och Sreekiran Pillai (höger) finjusterar optiken för ytkraftsapparaten som Himanshu Mishra observerar. Kredit:© 2019 KAUST
Denna ytkraftsapparat utnyttjar ljusinterferens för att lösa avstånd mellan ultrasläta ytor med en noggrannhet på 0,1 nanometer. Kredit:© 2019 KAUST
Upptäckten kan ha praktiska konsekvenser, säger Mishra. "Till exempel, dessa fynd kan hjälpa utvecklingen av nanofluidiska plattformar för molekylär separation."
"Det här är mycket imponerande arbete som visar hur kvantkärneffekter i vatten blir betydande på nanoskala, " förklarar professor Mischa Bonn, chef för Max Planck Institute for Polymer Research. "Resultaten visar att det fortfarande finns mycket att lära om vatten på grundläggande nivå, men med direkt relevans för vatten i nanoskala, till exempel, nanoporer som används för vattenrening och avsaltning."
