Water in nanospace: oppervlakken, geen opsluiting, regeren tot de dunste grenzen

Onderzoekers van het Max Planck Institute for Polymer Research hebben veronderstellingen over hoe water zich gedraagt wanneer ze in spaties op atoomschaal worden geperst. Door spectroscopische hulpmiddelen toe te passen samen met de simulatietechniek van de machine learning om water te geven in een ruimte van slechts enkele moleculen dik, ontdekte het team, geleid door Mischa Bonn, dat de structuur van water opvallend “normaal” blijft tot onder een nanometer, ver dunner dan eerder geloofde.

Het onderzoek, “Interfaces regelen de structuur van beheerd wateroplossingen op Angstrom-schaal,” was gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Turen in de structuur van een laag watermoleculen die slechts enkele moleculen dik is, is een formidabele wetenschappelijke uitdaging. Het team fabriceerde een capillair apparaat op nanoschaal door water tussen een enkele laag grafeen en een calciumfluoride (CAF₂) substraat te vangen. Vervolgens hanteerden ze geavanceerde trillingsoppervlakspecifieke spectroscopie-in staat om de microscopische structuur van beperkt water te detecteren, inclusief de oriëntatie en waterstofbinding van watermoleculen-om de ongrijpbare paar waterlagen te “zie”.

De onderzoekers merkten op dat zelfs wanneer het water beperkt was tot drie moleculaire lagen – een ruimte die nauwelijks breder is dan de moleculen zelf – de eigenschappen van water in het midden nog steeds die van gewoon bulkwater nabootsen in contact met twee oppervlakken. Interfaciale effecten, bepaald door het grafeenblad en het CAF₂ -substraat, dicteerden overweldigend de opstelling en het gedrag van de moleculen.

Alleen wanneer gereduceerd tot echt afmetingen op angstromschaal, waarbij water dunner is dan twee lagen, begon de werkelijke opsluiting de vloeistof op een structureel niveau te domineren en te reorganiseren. Voorspelling van op machine learning gebaseerde simulatietechnieken zou aannames kunnen valideren die worden gebruikt in de spectroscopische meting, de observatie mooi reproduceren en de conclusies bevestigen.

“Dit onderzoek verandert ons perspectief op beperkt water”, legt de eerste auteur Yongkang Wang uit. “Onze bevindingen zijn relevant voor de meeste praktische scenario’s – zoals water in nanochannels, membranen of tussen gelaagde materialen – waar het de oppervlakken zijn die de eigenschappen van het water dicteren, niet de ruimtelijke opsluiting zelf, behalve bij het verdwijnen (naderende moleculaire) diktes.”

Brede implicaties voor technologie, biologie en materiaalwetenschap

Deze inzichten hebben belangrijke implicaties voor een breed scala aan velden, van nanofluidica en geologie tot biologie en geavanceerde materialen. De resultaten verduidelijken dat het meeste nanoconfined water op aarde of in technologische apparaten – zoals in membranen, nanofluïdische circuits of biologische poriën – geregeerd worden door grensvlakfenomenen, zelfs onder extreme opsluiting. Alleen voor waterslanten minder dan een enkele nanometer dik, veranderen de regels echt.

Duw de grenzen van de waterwetenschap

“Onze resultaten hebben een nieuwe benchmark vastgesteld,” zei de bijbehorende auteur Yuki Nagata. “Als u werkt met zogenaamde ‘nanoconfined water’, is het de oppervlaktechemie-niet alleen geometrie-die de eigenschappen ervan bepaalt, tenzij de opsluiting tot het uiterste wordt geduwd.”

Het vermogen om slechts enkele lagen watermoleculen te onderzoeken en te begrijpen – het gebied van grootste wetenschappelijk en technologisch mysterie – is een belangrijke vooruitgang voor het veld. Dit werk lost niet alleen belangrijke theoretische debatten op, maar wijst ook de weg voor het ontwerpen van toekomstige nanodevices, materialen en misschien zelfs methoden voor het beheersen van de eigenschappen van water bij ongekende precisie.