Het ontrafelen van het gedrag van nano-opgesloten water en ijs in extreme omstandigheden

Het begrijpen van het watergedrag in nanoporiën is cruciaal voor zowel wetenschappelijke als praktische toepassingen. Wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) hebben het opmerkelijke gedrag van water en ijs onder hoge druk en temperatuur en sterke opsluiting onthuld.

Het onderzoek, getiteld “Rijke protondynamiek en fasegedrag van nanobeperkt ijs“, werd gepubliceerd in Natuurfysica.

Deze bevindingen, die het normale gedrag in het dagelijks leven tarten, bieden een enorm potentieel voor het bevorderen van ons begrip van de ongebruikelijke eigenschappen van water in extreme omgevingen, zoals in de kern van verre ijsplaneten. De implicaties van deze grote wetenschappelijke vooruitgang bestrijken verschillende gebieden, waaronder planetaire wetenschap, energiewetenschap en nanofluïdische engineering.

Onder leiding van professor Zeng Xiaocheng, hoofd en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering van CityU, gebruikte het onderzoeksteam de modernste computationele methoden om de eigenschappen van water en ijs onder extreme omstandigheden te simuleren.

Door middel van machine learning-potentieel, onderzoek naar kristalstructuren, pad-integrale moleculaire dynamica en metadynamica voerden ze uitgebreide simulaties uit van mono- en dubbellaags water onder nano-opsluiting. Deze simulaties onthulden een reeks intrigerende fenomenen, waaronder het tweedimensionale (2D) smelten van ijs in water, nieuw ijsgedrag, watersplitsing en protonendynamiek in nano-ijs.

Het onderzoeksteam ontdekte 10 nieuwe 2D-ijstoestanden, die elk unieke kenmerken vertonen. Ze identificeerden met name 2D-moleculair ijs met een symmetrische OHO-configuratie, die doet denken aan 3D Ice X met de hoogste dichtheid op aarde. Bovendien observeerden ze dynamisch, gedeeltelijk ionisch ijs en verschillende superionische ijssoorten. Verrassend genoeg kunnen deze 2D-ijstoestanden bij veel lagere druk worden geproduceerd dan hun 3D-tegenhangers met een vergelijkbare waterdichtheid, waardoor ze beter toegankelijk zijn in laboratoriumomstandigheden.

Professor Zeng benadrukte het belang van deze bevindingen en stelde dat ze een nieuwe grens vertegenwoordigen in het begrijpen van de fysica en chemie van water en ijs onder extreme omstandigheden, vooral in de kern van ijsreuzenplaneten.

“Het potentieel om deze unieke ijs- en watersplitsende toestanden in het laboratorium te creëren, inclusief dynamisch, gedeeltelijk ionisch en superionisch ijs bij lagere druk dan eerder voor mogelijk werd gehouden, is bijzonder opwindend”, zegt professor Zeng.

Het onderzoeken van het gedrag van water en ijs onder verschillende omstandigheden, vooral wanneer nano-opsluiting wordt overwogen, is een uiterst complexe taak.

Het onderzoeksteam heeft deze uitdaging aangepakt door middel van een uitgebreid aantal simulaties van moleculaire dynamica en pad-integrale moleculaire dynamica, waardoor een enorme dataset is ontstaan. Het extraheren van betekenisvolle inzichten uit deze enorme hoeveelheid gegevens vormde een aanzienlijke uitdaging op het gebied van data-analyse, waarvoor nauwgezet onderzoek nodig was.

Deze bevindingen maken de weg vrij voor toekomstig onderzoek naar de mysteries van ijsreuzenplaneten en de fundamentele eigenschappen van water. De volgende fase van dit onderzoek omvat experimentele validatie van de computationele voorspellingen en verkenning van praktische toepassingen.

Professor Zeng uitte zijn enthousiasme over het potentieel van dit onderzoek om ons begrip van water, ijs en watersplitsing in extreme omgevingen te verdiepen, en tegelijkertijd nieuwe grenzen te openen op het gebied van nanowetenschappen en planetair onderzoek.