Water onthult superkrachten die op nanoschaal verborgen zijn

Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben een onverwachte ontdekking gedaan over een van ’s werelds meest bekende stoffen: water. Wanneer water wordt opgesloten in ruimtes van een paar atomen dik, verandert het in iets volkomen onbekends, met eigenschappen die vaker worden geassocieerd met geavanceerde materialen zoals ferro-elektrische materialen en superionische vloeistoffen.

Deze verrassende bevinding is ook in tegenspraak met wat wetenschappers eerder wisten over sterk beperkt water. Uit eerder onderzoek is gebleken dat ingesloten water zijn vermogen verliest om op een elektrisch veld te reageren en ‘elektrisch dood’ wordt wanneer gemeten in de richting loodrecht op oppervlakken. De nieuwe studie onthult het tegenovergestelde in de parallelle richting: de elektrische respons van water neemt dramatisch toe, met een orde van grootte.

De studie, gepubliceerd in Natuur door een team onder leiding van dr. Laura Fumagalli in samenwerking met prof. Andre Geim, gebruikte een geavanceerde techniek genaamd scanning diëlektrische microscopie om de elektrische geheimen van water op ware nanoschaal te doorgronden. Ze hielden water vast in kanalen die zo smal waren dat ze slechts een handvol moleculaire lagen bevatten.

De resultaten zijn opvallend: bulkwater heeft een diëlektrische constante van ongeveer 80, maar wanneer het wordt verdund tot slechts 1 à 2 nanometer, bereikt de diëlektrische constante in het vlak waarden van bijna 1.000 – vergelijkbaar met ferro-elektrische materialen die worden gebruikt in geavanceerde elektronica. Tegelijkertijd neemt de geleidbaarheid van water toe tot waarden die die van superionische vloeistoffen benaderen, materialen die als veelbelovend worden beschouwd voor de volgende generatie batterijen.

“Zie het alsof water een gespleten persoonlijkheid heeft”, legt dr. Fumagalli uit. “In één richting is het elektrisch dood, maar als je het van dichtbij bekijkt, wordt het plotseling elektrisch superactief. Niemand had zo’n dramatisch gedrag verwacht.”

De ontdekking vereiste dat het team ultragevoelige meettechnieken moest ontwikkelen die in staat waren waterlagen te onderzoeken die veel dunner zijn dan de huid van een virus en hun elektrische respons te volgen over frequenties van kilohertz tot gigahertz – die zes ordes van grootte bestrijken.

Uit het onderzoek blijkt ook dat besloten water bestaat uit twee verschillende elektrische regimes. Voor kanalen groter dan enkele nanometers gedraagt ​​water zich als zijn bulkvorm, zij het met een veel hogere geleidbaarheid. Maar zodra het tot atomaire dimensies is geperst, ondergaat het een scherpe overgang naar een nieuwe ‘superionisch-achtige’ toestand.

Deze transformatie vindt plaats omdat extreme opsluiting het waterstofbrugnetwerk van water verstoort, dat in grote lijnen een dynamische maar tamelijk geordende structuur is. Op moleculaire schaal raakt dit netwerk verstoord, waardoor dipolen zich gemakkelijker kunnen uitlijnen met elektrische velden en snel protonentransport mogelijk wordt.

“Net zoals grafeen onverwachte natuurkunde aan het licht bracht toen grafiet werd verdund tot een enkele atomaire laag, toont dit onderzoek aan dat zelfs water – de meest bestudeerde vloeistof op aarde – ons nog steeds kan verrassen als het tot zijn absolute dunste punt wordt geperst”, zegt prof. Geim, die eerder de Nobelprijs voor grafeenonderzoek won.

De implicaties reiken veel verder dan de fundamentele wetenschap. Inzichten in de elektrische eigenschappen van water op nanoschaal zijn niet alleen van cruciaal belang voor de natuurkunde en scheikunde, maar ook voor technologieën variërend van geavanceerde batterijen en microfluïdica tot elektronica en biologie op nanoschaal.

“Onze studie verandert de manier waarop we over water moeten denken”, voegt Dr. Fumagalli toe. “De meest gewone substantie op aarde heeft buitengewone talenten die tot nu toe verborgen waren.”