Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare vid University of Cambridge har upptäckt att vatten i ett skikt av en molekyl fungerar varken som en vätska eller ett fast ämne, och att det blir mycket ledande vid höga tryck.
Mycket är känt om hur "bulkvatten" beter sig:det expanderar när det fryser, och det har en hög kokpunkt. Men när vatten komprimeras till nanoskala förändras dess egenskaper dramatiskt.
Genom att utveckla ett nytt sätt att förutsäga detta ovanliga beteende med oöverträffad noggrannhet, har forskarna upptäckt flera nya faser av vatten på molekylär nivå.
Vatten som är instängt mellan membran eller i små håligheter i nanoskala är vanligt – det kan hittas i allt från membran i våra kroppar till geologiska formationer. Men detta nanobegränsade vatten beter sig väldigt annorlunda än vattnet vi dricker.
Fram till nu har utmaningarna med att experimentellt karakterisera vattenfaserna på nanoskala hindrat en fullständig förståelse av dess beteende. Men i en artikel publicerad i tidskriften Nature , beskriver det Cambridge-ledda teamet hur de har använt framsteg inom beräkningsmetoder för att förutsäga fasdiagrammet för ett enmolekylärt tjockt lager av vatten med oöverträffad noggrannhet.
De använde en kombination av beräkningsmetoder för att möjliggöra undersökningen av ett enda lager vatten på första principen.
Forskarna fann att vatten som är begränsat till ett enmolekylärt tjockt lager går igenom flera faser, inklusive en "hexatisk" fas och en "superionisk" fas. I den hexatiska fasen fungerar vattnet varken som fast eller vätska, utan som något däremellan. I den superioniska fasen, som inträffar vid högre tryck, blir vattnet mycket ledande och driver protoner snabbt genom isen på ett sätt som liknar flödet av elektroner i en ledare.
Att förstå vattnets beteende på nanoskala är avgörande för många nya teknologier. Framgången för medicinska behandlingar kan bero på hur vatten som är fångat i små håligheter i våra kroppar kommer att reagera. Utvecklingen av högledande elektrolyter för batterier, vattenavsaltning och friktionsfri transport av vätskor är alla beroende av att förutsäga hur instängt vatten kommer att bete sig.
"För alla dessa områden är förståelsen av vattnets beteende den grundläggande frågan", säger Dr Venkat Kapil från Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, tidningens första författare. "Vårt tillvägagångssätt tillåter studier av ett enda lager vatten i en grafenliknande kanal med oöverträffad prediktiv noggrannhet."
Forskarna fann att det enmolekylära tjocka lagret av vatten i nanokanalen visade ett rikt och mångsidigt fasbeteende. Deras tillvägagångssätt förutsäger flera faser som inkluderar den hexatiska fasen - en mellanliggande mellan ett fast ämne och en vätska - och även en överjonisk fas, där vattnet har en hög elektrisk ledningsförmåga.
"Den hexatiska fasen är varken en fast eller vätska, utan en intermediär, vilket överensstämmer med tidigare teorier om tvådimensionella material," sa Kapil. "Vårt tillvägagångssätt tyder också på att denna fas kan ses experimentellt genom att begränsa vatten i en grafenkanal.
"Förekomsten av den överjoniska fasen under lättillgängliga förhållanden är märklig, eftersom denna fas i allmänhet finns under extrema förhållanden som kärnan av Uranus och Neptunus. Ett sätt att visualisera denna fas är att syreatomerna bildar ett fast gitter, och protoner flödar som en vätska genom gallret, som barn som springer genom en labyrint."
Forskarna säger att denna superioniska fas kan vara viktig för framtida elektrolyt- och batterimaterial eftersom den visar en elektrisk ledningsförmåga som är 100 till 1 000 gånger högre än nuvarande batterimaterial.
Resultaten kommer inte bara att hjälpa till med att förstå hur vatten fungerar på nanoskala, utan föreslår också att "nanoinneslutning" kan vara en ny väg för att hitta superioniskt beteende hos andra material. + Utforska vidare
