Nieuwe waterfasen gedetecteerd

Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben ontdekt dat water in een laag van één molecuul zich niet als vloeistof of vaste stof gedraagt ​​en dat het bij hoge druk zeer geleidend wordt.

Er is veel bekend over hoe “bulkwater” zich gedraagt: het zet uit als het bevriest en het heeft een hoog kookpunt. Maar wanneer water tot op nanoschaal wordt gecomprimeerd, veranderen de eigenschappen ervan drastisch.

Door een nieuwe manier te ontwikkelen om dit ongewone gedrag met ongekende nauwkeurigheid te voorspellen, hebben de onderzoekers verschillende nieuwe fasen van water op moleculair niveau gedetecteerd.

Water dat opgesloten zit tussen membranen of in kleine holtes op nanoschaal is gebruikelijk – het kan in alles worden gevonden, van membranen in ons lichaam tot geologische formaties. Maar dit nano-opgesloten water gedraagt ​​zich heel anders dan het water dat we drinken.

Tot nu toe hebben de uitdagingen van het experimenteel karakteriseren van de fasen van water op nanoschaal een volledig begrip van het gedrag ervan verhinderd. Maar in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurbeschrijft het door Cambridge geleide team hoe ze de vooruitgang in computationele benaderingen hebben gebruikt om het fasediagram van een één-molecuul dikke laag water met ongekende nauwkeurigheid te voorspellen.

Ze gebruikten een combinatie van computationele benaderingen om het onderzoek op het eerste-principeniveau van een enkele laag water mogelijk te maken.

De onderzoekers ontdekten dat water dat is opgesloten in een laag van één molecuul, verschillende fasen doorloopt, waaronder een “hexatische” fase en een “superionische” fase. In de hexatische fase fungeert het water niet als een vaste stof of een vloeistof, maar als iets daar tussenin. In de superionische fase, die optreedt bij hogere drukken, wordt het water zeer geleidend, waardoor protonen snel door ijs worden voortgestuwd op een manier die lijkt op de stroom van elektronen in een geleider.

Inzicht in het gedrag van water op nanoschaal is van cruciaal belang voor veel nieuwe technologieën. Het succes van medische behandelingen kan afhangen van hoe water dat in kleine holtes in ons lichaam zit, zal reageren. De ontwikkeling van sterk geleidende elektrolyten voor batterijen, ontzilting van water en het wrijvingsloze transport van vloeistoffen zijn allemaal afhankelijk van het voorspellen hoe beschut water zich zal gedragen.

“Voor al deze gebieden is het begrijpen van het gedrag van water de fundamentele vraag”, zegt Dr. Venkat Kapil van het Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, de eerste auteur van het artikel. “Onze aanpak maakt de studie van een enkele laag water in een grafeenachtig kanaal mogelijk met ongekende voorspellende nauwkeurigheid.”

De onderzoekers ontdekten dat de één molecuul dikke laag water in het nanokanaal een rijk en divers fasegedrag vertoonde. Hun benadering voorspelt verschillende fasen, waaronder de hexatische fase – een tussenproduct tussen een vaste stof en een vloeistof – en ook een superionische fase, waarin het water een hoge elektrische geleidbaarheid heeft.

“De hexatische fase is noch een vaste stof, noch een vloeistof, maar een tussenproduct, wat overeenkomt met eerdere theorieën over tweedimensionale materialen”, zei Kapil. “Onze benadering suggereert ook dat deze fase experimenteel kan worden gezien door water op te sluiten in een grafeenkanaal.

“Het bestaan ​​van de superionische fase onder gemakkelijk toegankelijke omstandigheden is eigenaardig, omdat deze fase over het algemeen wordt aangetroffen in extreme omstandigheden zoals de kern van Uranus en Neptunus. Een manier om deze fase te visualiseren is dat de zuurstofatomen een vast rooster vormen en protonen stromen als een vloeistof door het rooster, als kinderen die door een doolhof rennen.”

De onderzoekers zeggen dat deze superionische fase belangrijk kan zijn voor toekomstige elektrolyt- en batterijmaterialen, omdat deze een elektrische geleidbaarheid heeft die 100 tot 1000 keer hoger is dan de huidige batterijmaterialen.

De resultaten zullen niet alleen helpen om te begrijpen hoe water werkt op nanoschaal, maar suggereren ook dat “nano-opsluiting” een nieuwe manier zou kunnen zijn om superionisch gedrag van andere materialen te vinden.