Lidelse er nøglen til nanorørs mystik

Forskere finder ofte mærkelige og uventede ting, når de ser på materialer på nanoskala - niveauet af enkelte atomer og molekyler. Dette gælder selv for de mest almindelige materialer, såsom vand.

Eksempel:I de sidste par år, forskere har observeret, at vand spontant strømmer ind i ekstremt små rør af grafit eller grafen, kaldet kulstof nanorør. Denne uventede observation er spændende, fordi kulstof nanorør lover i de nye områder af nanofluidics og nanofiltration, hvor nanorør måske kan hjælpe med at opretholde små strømme eller adskille urenheder fra vand. Imidlertid, ingen har formået at forklare hvorfor, på molekylært niveau, en stabil væske vil gerne begrænse sig til et så lille område.

Nu, ved hjælp af en ny metode til at beregne dynamikken af ​​vandmolekyler, Caltech-forskere mener, at de har løst mysteriet. Det viser sig, at entropi, en måling af lidelse, har været den manglende nøgle.

"Det er et ret overraskende resultat, " siger William Goddard, Charles og Mary Ferkel professor i kemi, Materialevidenskab, og anvendt fysik hos Caltech og direktør for Materials and Process Simulation Center. "Folk fokuserer normalt på energi i dette problem, ikke entropi."

Det er fordi vand danner et omfattende netværk af brintbindinger, hvilket gør den meget stabil. At bryde disse stærke interaktioner kræver energi. Og da nogle bindinger skal brydes for at vand kan strømme ind i små nanorør, det virker usandsynligt, at vand ville gøre det frit.

"Det, vi fandt, er, at det faktisk er en afvejning, " siger Goddard. "Du mister noget af den gode energistabilisering fra bindingen, men i processen vinder du entropi."

Entropi er en af ​​de drivkræfter, der afgør, om en proces vil opstå spontant. Det repræsenterer antallet af måder et system kan eksistere i en bestemt tilstand. Jo flere arrangementer der er tilgængelige for et system, jo større dens uorden, og jo højere entropi. Og generelt, naturen går mod uorden.

Når vandet er ideelt bundet, alle hydrogenbindingerne låser molekylerne på plads, begrænser deres frihed og holder vandets entropi lav. Hvad Goddard og postdoktor Tod Pascal fandt er, at i tilfælde af nogle nanorør, vand får nok entropi ved at komme ind i rørene til at opveje energitabet ved at bryde nogle af dets brintbindinger. Derfor, vand strømmer spontant ind i rørene.

Goddard og Pascal forklarer deres resultater i et papir, der for nylig er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) . De så på kulstof nanorør med diametre mellem 0,8 og 2,7 nanometer og fandt tre forskellige grunde til, at vand ville flyde frit ind i rørene, afhængig af diameter.

For de mindste nanorør - dem mellem 0,8 og 1,0 nanometer i diameter - er rørene så små, at vandmolekyler står på linje med næsten en enkelt fil i dem og antager en gaslignende tilstand. Det betyder, at den normale bundne struktur af flydende vand nedbrydes, giver molekylerne større bevægelsesfrihed. Denne stigning i entropi trækker vand ind i rørene.

På næste niveau, hvor nanorørene har diametre mellem 1,1 og 1,2 nanometer, indesluttede vandmolekyler arrangerer sig i stablede, islignende krystaller. Goddard og Pascal fandt, at sådanne nanorør havde den perfekte størrelse - en slags Guldlok-match - til at rumme krystalliseret vand. Disse krystalbindingsinteraktioner, ikke entropi, gøre det gunstigt for vand at strømme ind i rørene.

På den største undersøgte skala - der involverer rør, hvis diametre stadig kun er 1,4 til 2,7 nanometer brede - fandt forskerne ud af, at de indesluttede vandmolekyler opfører sig mere som flydende vand. Imidlertid, endnu engang, nogle af de normale hydrogenbindinger er brudt, så molekylerne udviser mere bevægelsesfrihed i rørene. Og gevinsterne i entropi mere end kompenserer for tabet i hydrogenbindingsenergi.

Fordi indersiden af ​​kulstofnanorørene er alt for små til, at forskere kan undersøge eksperimentelt, Goddard og Pascal studerede dynamikken i de indesluttede vandmolekyler i simuleringer. Ved at bruge en ny metode udviklet af Goddards gruppe med en supercomputer, de var i stand til at beregne entropien for de enkelte vandmolekyler. I fortiden, sådanne beregninger har været vanskelige og ekstremt tidskrævende. Men den nye tilgang, døbt den tofasede termodynamiske model, har gjort bestemmelsen af ​​entropiværdier relativt let for ethvert system.

"De gamle metoder tog otte års computerbehandlingstid at nå frem til de samme entropier, som vi nu får på 36 timer, " siger Goddard.

Holdet kørte også simuleringer ved hjælp af en alternativ beskrivelse af vand - en hvor vand havde sine sædvanlige egenskaber som energi, massefylde, og viskositet, men manglede sin karakteristiske hydrogenbinding. I det tilfælde, vand ville ikke strømme ind i nanorørene, at give yderligere bevis for, at vands naturligt forekommende lave entropi på grund af omfattende hydrogenbinding fører til, at det spontant fylder kulstofnanorør, når entropien stiger.

Goddard mener, at kulstof nanorør kunne bruges til at designe supermolekyler til vandrensning. Ved at inkorporere porer med samme diametre som kulstof nanorør, han mener, at en polymer kunne fremstilles til at suge vand ud af opløsningen. En sådan potentiel anvendelse peger på behovet for en større forståelse af vandtransport gennem kulstofnanorør.