Een diepe blik in de unieke structuur en het gedrag van beperkt water

Ondanks dat het een van de meest bekende stoffen op aarde is, bevat water veel geheimen waar wetenschappers nog steeds aan het begrijpen zijn. Wanneer beperkt tot extreem kleine ruimtes – zoals binnen bepaalde eiwitten, mineralen of kunstmatige nanomaterialen – gedraagt ​​water zich op manieren die drastisch verschillen van de bulkvloeistofvorm.

Deze opsluitingseffecten zijn van cruciaal belang voor veel natuurlijke en technologische processen, waaronder het reguleren van de stroom van ionen via celmembranen en de eigenschappen van nanofluïdische systemen.

Een intrigerende maar slecht begrepen staat van beperkt water wordt de ‘in premelingse staat’ genoemd. In deze unieke fase gedraagt ​​water zich alsof het tegelijkertijd op het punt staat te bevriezen en te smelten, waardoor eenvoudige vloeibare of vaste classificaties tarten. Het is echter moeilijk gebleken om de in premelingse toestand en andere beperkte waterdynamiek in detail te bestuderen.

Hoewel technieken zoals diffractiemethoden (bijvoorbeeld röntgenanalyse) nuttig zijn voor het vaststellen van de andere posities van andere atomen dan waterstof, zijn ze niet gevoelig genoeg om de rotatiebeweging van waterstof en de beweging van individuele watermoleculen op picoseconde-schaal op te vangen.

In een recent onderzoek, een onderzoeksteam onder leiding van professor Makoto Tadokoro naast docent Fumiya Kobayashi en eerstejaars Ph.D. Student Mr. Tomoya Namiki, van de afdeling Chemie, Tokyo University of Science, Japan, werpt nieuw licht op de mysteries van besloten water.

Hun paper, online gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Societymeldt hoe ze statische vaste state deuterium nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie gebruikten om de hiërarchische dynamiek van water te observeren, beperkt in de hydrofiele nanoporiën van een moleculair kristal en de premelde toestand kenmerkden, een nieuwe fase waargenomen in water.

Om hun experimenten uit te voeren, produceerde het team zeshoekige staafachtige kristallen met quasi-een-dimensionale kanalen met een nanopore met een diameter van ongeveer 1,6 nm en vulde ze met zwaar water (D₂O).

Door de NMR -spectra van een enkel kristal van {te meten[Co(D₂bim)₃](TMA) .20D₂O}_N Bij kamertemperatuur konden de onderzoekers het bestaan ​​van een hiërarchische, driedaagse structuur in de ingesloten watermoleculen bevestigen.

De unieke pieken waargenomen in de spectra kwamen overeen met elke gelaagde structuur met verschillende bewegingen en waterstofbindende interacties met elkaar van het beperkte water, wat duidelijk bewijs levert van meerlagige organisatie.

Bovendien bevriest water dat is beperkt in de nanoporiën in een andere structuur dan bulkijs en smelt eerst door een vervormde waterstofgebonden structuur, wat leidt tot de vorming van een uitsteekstaat.

Om inzichten te krijgen in de inzetstaat, verwarmden de onderzoekers het kristal geleidelijk van lage temperatuur om het water van een bevroren toestand naar een vloeibare toestand te krijgen. Ze zagen verschillende veranderingen in de NMR -spectra die een fase -overgang in de uitsteekstaat bevestigden, en hun metingen onthulden de aanwezigheid van twee schijnbaar tegenstrijdige staten.

“De inzetstaat omvat het smelten van onvolledig waterstofgebonden H₂O voordat de volledig bevroren ijsstructuur begint te smelten tijdens het verwarmingsproces. Het vormt in wezen een nieuwe waterfase waarin bevroren h₂O lagen en langzaam bewegend h₂O naast elkaar bestaan, “legt Prof. Tadokoro uit.

De onderzoekers hebben de spin -latte ontspanningstijd gemeten om de rotatiemobiliteit van de zware watermoleculen in deze nieuwe fase te kwantificeren. Terwijl de activeringsenergie voor de in premiTing -toestand verre van die van bulkijs was, was de correlatietijd opmerkelijk dicht bij die van bulk vloeibaar water.

Simpel gezegd, dit betekent dat hoewel de posities van de watermoleculen relatief waren vastgesteld zoals men van een vaste stof zou verwachten, hun rotatiebewegingen extreem snel en vloeibaar waren.

Al met al worden deze bevindingen opgebouwd naar een beter begrip van hoe water zich gedraagt ​​bij extreme opsluiting. Ze verduidelijken cruciale structurele en dynamische aspecten, die belangrijk zijn om te begrijpen hoe water en ionen doordringen door biologische eiwitten en membranen. Vooruitkijkend kunnen deze inzichten ook leiden tot praktische innovaties.

“Door nieuwe ijsnetwerkstructuren te creëren, kan het mogelijk zijn om energetische gassen zoals waterstof en methaan op te slaan en materialen op waterbasis te ontwikkelen, zoals kunstmatige gashydraten”, zegt prof. Tadokoro.

Het regelen van de vriezame eigenschappen van water op basis van de structuur van ijs kan leiden tot het creëren van nieuwe, goedkope en veilige hydrosfeermaterialen.

Over het algemeen toont deze studie uiteindelijk aan dat zelfs een substantie die zo gewoon is als water nog steeds fundamentele geheimen heeft die wachten om te worden ontgrendeld.