به گزارش سیناپرس، در مورد نحوه رفتار آب اطلاعات زیادی وجود دارد و می دانیم وقتی یخ می زند منبسط شده و نقطه جوش بالایی دارد. اما زمانی که آب در مقیاس نانو فشرده می شود، خواص آن به طور چشمگیری تغییر می کند.
محققان با توسعه روشی جدید برای پیش بینی این رفتار غیرعادی با دقت بی سابقه ای، چندین فاز جدید آب را در سطح مولکولی شناسایی کرده اند. آب حبس شده بین غشاها یا در حفره های کوچک در مقیاس نانو اتفاقی رایج است که می توان آن را در جاهایی مانند غشاهای بدن یا سازندهای زمین شناسی یافت. اما این آب نانومتری رفتار بسیار متفاوتی با آبی که ما می نوشیم دارد.
تاکنون، چالش های توصیف تجربی فازهای آب در مقیاس نانو مانع از درک کامل رفتار آن شده است. اما در پژوهش های جدید تحت رهبری دانشگاه کمبریج مشخص شد که چگونه از پیشرفت در رویکردهای محاسباتی برای پیش بینی حالات فاز لایه ضخیم مولکولی آب استفاده می شود.
پژوهشگران از ترکیبی از رویکردهای محاسباتی برای فعال کردن سطح اصول اول از یک لایه آب استفاده کردند. محققان دریافتند که آبی که در یک لایه ضخیم یک مولکولی محصور شده است، از چندین فاز، از جمله فاز هگزاتیک و فاز سوپریونیک عبور می کند.
در فاز هگزاتیک، آب نه به عنوان جامد و نه به عنوان مایع عمل می کند، بلکه چیزی بین این دو است. در فاز فوق یونی، که در فشارهای بالاتر اتفاق می افتد، آب به شدت رسانا می شود و پروتون ها را به سرعت از طریق یخ به حرکت در می آورد که شبیه جریان الکترون ها در یک محیط هادی است.
درک رفتار آب در مقیاس نانو برای بسیاری از فناوری های جدید حیاتی است. موفقیت درمان های پزشکی می تواند به نحوه واکنش آب محبوس شده در حفره های کوچک بدن ما بستگی داشته باشد. توسعه الکترولیت های بسیار رسانا برای باتری ها، نمک زدایی آب و حمل و نقل بدون اصطکاک سیالات، همگی به پیش بینی نحوه رفتار آب محدود بستگی دارد.
دکتر ونکات کاپیل (Venkat Kapil) از دپارتمان شیمی دانشگاه کمبریج و پژوهشگر ارشد این مطالعه گفت: ، سؤال اساسی درک رفتار آب برای همه موضوعات فوق است. رویکرد ما امکان مطالعه یک لایه آب را در کانالی شبیه گرافن با دقت بی سابقه ای فراهم می کند.
محققان دریافتند: لایه ضخیم یک مولکولی آب در کانال نانو، رفتار فازی غنی و متنوعی از خود نشان می دهد. رویکرد پژوهشگران چندین فاز را پیش بینی می کند که شامل فاز هگزاتیک که یک حد واسط بین جامد و مایع و همچنین یک فاز فوق یونی است که در آن آب رسانایی الکتریکی بالایی دارد.
کاپیل در این باره گفت: فاز هگزاتیک نه جامد است و نه مایع، بلکه یک حد واسط است که با تئوری های قبلی در مورد مواد دو بعدی موافق است. رویکرد ما همچنین نشان می دهد که این فاز را می توان با محصور کردن آب در کانال گرافن به صورت تجربی مشاهده کرد.
به گزارش سیناپرس، او در پایان افزود: وجود فاز ابریونیک در شرایطی که به راحتی قابل دسترسی است عجیب است، زیرا این فاز عموماً در شرایط خاص مانند هسته اورانوس و نپتون یافت می شود. یکی از راه‌های تجسم این فاز این است که اتم های اکسیژن یک شبکه جامد تشکیل دهند و پروتون ها مانند یک مایع در داخل شبکه جریان یابند.
محققان می گویند: این فاز فوق یونی می تواند برای الکترولیت و مواد باتری های آینده مهم باشند زیرا می توانند رسانایی الکتریکی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از باتری های فعلی را رقم بزنند.
شرح کامل این مطالعه و نتایج آن در آخرین شماره مجله تخصصی Nature منتشر شده است.
مترجم: مهدی فلاحی پناه