Opgesloten water wordt elektrisch: onderzoek onthult diëlektrische respons van water in nanoporiën

Wanneer water nanoporiën binnendringt met een grootte van minder dan 10 nanometer, ontstaat er een nieuwe fysica: er werden nieuwe fasen van ijs waargenomen en ultrasnel protontransport werd gemeten. Opgesloten water speelt ook een rol in de biologie, waar aquaporinen celmembranen passeren om specifiek transport van water en andere kleine moleculen door nanometer-schaalkanalen mogelijk te maken.

Op dit gebied ontbreekt echter een fundamenteel begrip van de manier waarop opsluiting de mogelijkheid van water om een ​​elektrisch veld in eendimensionale poriën af te schermen beïnvloedt.

Om deze uitdaging op te lossen, hebben wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en een medewerker van de University of Texas in Austin simulaties gebruikt om de eerste-orde-reactie van ingesloten water op aangelegde elektrische velden te verklaren. onderzoek staat op de cover van Het tijdschrift voor fysische chemie Brieven.

De auteurs hebben een toename gevonden in het vermogen van water om elektrische velden die langs de as van de eendimensionale nanoporie worden toegepast, af te schermen. Deze verbetering komt voort uit een langere-afstands-uitlijning van waterdipolen onder opsluiting ten opzichte van de bulkvloeistof, wat zelfs leidt tot de vorming van exotische fasen van water (ferro-elektrisch ijs) onder extreme opsluiting.

“Het is noodzakelijk om het vermogen van de ingesloten vloeistof om elektrische velden af ​​te schermen te begrijpen en hoe dit verschilt van de bulkomgeving”, aldus LLNL-wetenschapper Marcos Calegari Andrade, hoofdauteur van het artikel. “Een beter begrip van de diëlektrische respons van ingesloten water is niet alleen belangrijk voor het ontwikkelen van scheidingstechnologieën, maar ook voor andere opkomende toepassingen, zoals energieopslag en -conversie.”

Nanoporiën kleiner dan 10 nanometer hebben veelbelovende ionenselectiviteit laten zien voor toepassingen variërend van waterontzilting tot apparaten die worden gebruikt voor fotochemische watersplitsing.

“Fundamentele studies naar het opsluitingseffect op de diëlektrische constante van water zijn nuttig om de huidige technologieën te begrijpen en te verbeteren”, aldus LLNL-wetenschapper Anh Pham, medeauteur van het artikel.

In het nieuwe onderzoek wilde het team de computationele efficiëntie van machine learning (ML) verkennen om het hydrofobe nanoconfinement-effect op de diëlektrische eigenschappen van water af te leiden vanuit een op first-principles gebaseerde benadering. Met de ML kon het team het potentiële energieoppervlak van het systeem voorspellen, evenals de moleculaire dipool van water, beide met de nauwkeurigheid van kwantummechanische berekeningen.

“Ons werk laat zien dat 1-D hydrofobe nanoconfinement een merkwaardige impact heeft, niet alleen op de diëlektrische constante, maar ook op de elektronische structuur van water. Deze effecten kunnen niet worden waargenomen met simulaties op basis van conventionele parametrische krachtvelden”, aldus Calegari Andrade.