Indkredsning af virkningerne af nanoindeslutning på vand

Forskere har brugt årtier på at studere vands egenskaber, og hvordan de ændrer sig, når der er forstyrrelser i deres normale adfærd. Forskning om emnet har en bred vifte af anvendelser, fra biokemiske systemer til vandafsaltning.

Et team af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Argonne National Laboratory og University of Chicago undersøgte, hvordan flydende vands struktur og elektroniske egenskaber kan påvirkes af tilstedeværelsen af ​​ioner og nanoindeslutning (ioner og vand indespærret mellem materialeoverflader, der er nanometer fra hinanden). De brugte første-princip-simuleringer til at søge efter tegn på disse forstyrrelser. Forskningen fremgår af Journal of Chemical Physics .

Til sammenligning, holdet, ledet af hovedforfatteren Viktor Rozsa, en kandidatstuderende ved University of Chicago og en DOE NNSA Stewardship Science Graduate fellow, udført simuleringer for vand inde i halvledende nanorør med diametre på 1,1 og 1,5 nanometer, henholdsvis (én nanometer er ca. 17, 000 gange mindre end et menneskehår). De opdagede, at på grund af nanoindeslutningen, der er konkurrerende effekter af brudte brintbindinger og vand-kulstof-interaktioner på den molekylære polariserbarhed. De identificerede vandmolekylær polariserbarhed som "fingeraftrykket" af ion- og nanoindeslutningsforstyrrelser.

"De molekylære polarisationsmuligheder viste en konkurrerende balance mellem reduktioner fra strukturbrud og forbedringer ved grænsefladen fra nanorøret, " sagde LLNL's Anh Pham, en materialeforsker i Quantum Simulations Group.

Dette arbejde kan udvides til at forstå effekten af ​​anioner eller divalente ioner på indesluttet vand. I fremtiden, forskerne sigter mod at undersøge, hvordan de konkurrerende effekter på molekylær polariserbarhed påvirkes af andre solvatiserede ioner og i forskellige grader af indespærring.

"Vores resultater fremhæver vigtigheden af ​​inklusion af polariserbarhed for realistiske simuleringer af vand i komplekse miljøer og kan hjælpe med parametrisering af fremtidige interatomiske potentialer, " sagde Giulia Galli, Liew Family Professor ved Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago, seniorforsker ved Argonne og medforfatter til undersøgelsen.

Papiret, der beskriver denne forskning, blev valgt som et udvalgt papir af Journal of Chemical Physics og blev også fremhævet af American Institute of Physics.