Att förstå vattenbeteende i nanoporer är avgörande för både vetenskap och praktiska tillämpningar. Forskare från City University of Hong Kong (CityU) har avslöjat det anmärkningsvärda beteendet hos vatten och is under högt tryck och temperatur och stark inneslutning.
Studien, med titeln "Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices", publicerades i Nature Physics .
Dessa fynd, som trotsar det normala beteendet som observeras i det dagliga livet, har en enorm potential för att främja vår förståelse av vattnets ovanliga egenskaper i extrema miljöer, som i kärnan av avlägsna isplaneter. Konsekvenserna av detta stora vetenskapliga framsteg spänner över olika områden, inklusive planetvetenskap, energivetenskap och nanofluidteknik.
Under ledning av professor Zeng Xiaocheng, rektor och ordförande vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid CityU, använde forskargruppen toppmoderna beräkningsmetoder för att simulera egenskaperna hos vatten och is under extrema förhållanden.
Genom maskininlärningspotential, sökningar efter kristallstrukturer, vägintegral molekylär dynamik och metadynamik, genomförde de omfattande simuleringar av mono- och tvåskiktsvatten under nanoinneslutning. Dessa simuleringar avslöjade en rad spännande fenomen, inklusive tvådimensionell (2D) smältning av is-till-vatten, nytt isbeteende, vattendelning och protondynamik i nanois.
Forskargruppen upptäckte 10 nya 2D-istillstånd, som var och en uppvisar unika egenskaper. Noterbart identifierade de 2D molekylär is med en symmetrisk O-H-O-konfiguration, som påminner om den högsta densitet 3D Ice X som finns på jorden. Dessutom observerade de dynamisk, delvis jonisk is och flera superioniska isar. Överraskande nog kunde dessa 2D-istillstånd produceras vid mycket lägre tryck än deras 3D-motsvarigheter med liknande vattentäthet, vilket gör dem mer tillgängliga i laboratorieförhållanden.
Professor Zeng betonade betydelsen av dessa fynd och angav att de representerar en ny gräns för förståelsen av vatten och iss fysik och kemi under extrema förhållanden, särskilt i kärnan av isgigantiska planeter.
"Möjligheten att skapa dessa unika is- och vattendelande tillstånd i laboratoriet, inklusive dynamiska, delvis joniska och superjoniska isar vid lägre tryck än vad som tidigare trotts möjligt, är särskilt spännande", säger professor Zeng.
Att utforska beteendet hos vatten och is under olika förhållanden, särskilt när nanoinneslutning övervägs, är en mycket komplex uppgift.
Forskargruppen tacklade denna utmaning genom ett omfattande antal simuleringar av molekylär dynamik och vägintegral molekylär dynamik, vilket genererade en enorm datauppsättning. Att extrahera meningsfulla insikter från denna enorma mängd data utgjorde en betydande dataanalysutmaning som krävde noggrann utforskning.
Dessa fynd banar väg för framtida forskning om mysterierna med isgigantiska planeter och vattnets grundläggande egenskaper. Nästa fas av denna forskning involverar experimentell validering av beräkningsförutsägelser och utforskning av praktiska tillämpningar.
Professor Zeng uttryckte entusiasm över potentialen i denna forskning för att fördjupa vår förståelse av vatten, is och vattenklyvning i extrema miljöer, samtidigt som det öppnar nya gränser inom nanovetenskap och planetarisk forskning.
Mer information: Jian Jiang et al, Rich proton dynamics and phase behaviors of nanoconfined ices, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02341-8
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
