Forskere afklarer egenskaberne af indesluttet vand i enkeltvæggede kulstofnanorørporer

Vand og is er muligvis ikke blandt de første ting, man tænker på, når man tænker på enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNT'er), men et Japan-baseret forskerhold, der håber på at få en klarere forståelse af faseadfærden af ​​indesluttet vand i de cylindriske porer i kulstofnanorør, der fokuserede på indesluttet vands egenskaber og gjorde nogle overraskende opdagelser.

Holdet, fra Tokyo Metropolitan University, Nagoya Universitet, Japan Science and Technology Agency, og National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, beskriver deres fund i American Institute of Physics ' Journal of Chemical Physics .

Selvom carbon nanorør består af hydrofobe (vandafvisende) grafenplader, eksperimentelle undersøgelser af SWCNT'er viser, at vand faktisk kan være indespærret i åbne kulstofnanorør.

Denne opdagelse giver os en dybere forståelse af egenskaberne af nanobundet vand i porerne i SWCNT'er, hvilket er en nøgle til nanovidenskabens fremtid. Det forventes, at nanokonfineret vand i carbon nanorør kan åbne døren for udviklingen af ​​en række fede nye nanoting - nanofiltreringssystemer, molekylære nanovalver, molekylære vandpumper, nanoskala strømceller, og endda ferroelektriske enheder i nanoskala.

"Når materialer er begrænset på atomær skala, udviser de usædvanlige egenskaber, som ikke ellers er observeret, på grund af den såkaldte 'nanoconfinement-effekt'. Inden for geologi, for eksempel, nanokonfineret vand giver drivkraften til frosthævninger i jorden, og også til hævelse af lermineraler, "forklarer Yutaka Maniwa, en professor ved Institut for Fysik ved Tokyo Metropolitan University. "Vi undersøgte eksperimentelt denne type effekt for vand ved hjælp af SWCNT'er."

Vand inden for SWCNT'er i intervallet 1,68 til 2,40 nanometer gennemgår en våd-tør type overgang, når temperaturen falder. Og holdet opdagede, at når SWCNT'er er ekstremt smalle, vandet indeni danner tubuli -is, der er ganske forskellige fra eventuelle bulk -is, der hidtil er kendt. Påfaldende nok, deres smeltepunkt stiger, når SWCNT-diameteren falder - i modsætning til bulkvands inde i en kapillær med stor diameter. Faktisk, tubuli is forekom selv ved stuetemperatur inde i SWCNT'er.

"Vi udvidede vores undersøgelser til SWCNT'er med større diameter op til 2,40 nanometer og foreslog med succes en global faseadfærd for vand, "siger Maniwa." Dette fasediagram (se figur) dækker en crossover fra mikroskopiske til makroskopiske områder. I den makroskopiske region, en ny våd-tør overgang blev for nylig udforsket ved lav temperatur."

Resultater som disse bidrager til en større forståelse af fundamental videnskab, fordi nanokonfineret vand findes og spiller en afgørende rolle overalt på Jorden - inklusive vores kroppe. "Forståelse af den nanobegrænsede effekt på materialers egenskaber er også afgørende for at udvikle nye enheder, såsom protonledende membraner og nanofiltrering, "Noter Maniwa.

Næste, holdet planlægger at undersøge de fysiske egenskaber af indesluttet vand, der er opdaget indtil videre inde i SWCNT'er (såsom dielektricitet og protonledning). De vil forfølge dette for at opnå en bedre forståelse af molekylstrukturen og transportegenskaberne i biologiske systemer.