Snefnug bliver firkantede med lidt hjælp fra grafen

Banebrydende fund, rapporteret i journalen Natur , muliggøre bedre forståelse af vandets kontra -intuitive adfærd på molekylær skala og er vigtige for udviklingen af ​​mere effektive teknologier, herunder filtrering, afsaltning og destillation.

Vand er et af de mest kendte og rigelige stoffer på Jorden. Den findes i mange former, som væske, damp og så mange som 15 krystalstrukturer af is, med den almindeligt forekommende sekskantede is alene ansvarlig for den fascinerende variation af snefnug.

Mindre mærkbar, men lige så allestedsnærværende er vand ved grænseflader og begrænset i mikroskopiske porer. Faktisk, et par monolag vand dækker hver overflade omkring os, selv i de tørreste ørkener, og udfyld hver eneste mikroskopiske revne, for eksempel, dem, der er til stede i klipper.

Endnu, meget lidt er kendt om strukturen og opførslen af ​​sådant mikroskopisk vand, især når det er skjult for udsigten, i kapillærer dybt inde i et massemateriale.

Et internationalt team af forskere fra The University of Manchester, Universitetet i Ulm i Tyskland og University of Science and Technology i Kina har skabt en gennemsigtig nanoskala kapillær for at undersøge atomstrukturen af ​​vand fanget inde. De brugte elektronmikroskopi med høj forstørrelse, der tillod dem at se individuelle vandmolekyler, og nanokapillæren var fremstillet af grafen, der er et atom tykt og ikke tilslører elektronmikroskopi-billeddannelse.

Til deres overraskelse, forskerne fandt små firkantede iskrystaller ved stuetemperatur, forudsat at grafenkapillærerne var smalle nok, tillader ikke mere end tre atomlag af vand. Vandmolekyler dannede et firkantet gitter, sidder langs jævnt fordelte pæne rækker, der løber vinkelret på hinanden. Et sådant fladt firkantet arrangement er fuldstændig ukarakteristisk for vand, hvis molekyler altid danner små pyramidestrukturer inde i alle de tidligere kendte is.

Ved hjælp af computersimuleringer, forskerne forsøgte også at finde ud af, hvor almindelig firkantet is der er i naturen. Resultaterne viser, at hvis vandlaget er tyndt nok, det skal danne firkantet is uafhængigt af en nøjagtig kemisk sammensætning af indeslutningsvægge i en nanopore.

Derfor, det er sandsynligt, at firkantet is er meget almindelig på molekylskalaen og findes på spidsen af ​​hver mikroskopisk revne eller pore i ethvert materiale.

Professor Irina Grigorieva, der ledede Manchester -delen af ​​indsatsen, kommenterede:"Forskere forsøgte at forstå strukturen af ​​vand begrænset inden for snævre kanaler i årtier, men indtil nu var det kun muligt ved computersimuleringer, og resultaterne stemte ofte ikke overens med hinanden ”.

"Mikroskopiske revner, porer, kanaler er overalt, og ikke kun på denne planet. At vide, at vand på en nanoskala opfører sig så anderledes end det almindelige bulkvand, er vigtigt for en bedre forståelse af materialer. "

Sir Andre Geim, der modtog en nobelpris for grafen og nu var med til at skrive papiret, sagde:"Denne undersøgelse blev stimuleret af vores tidligere observationer af ultrahurtig strøm af vand gennem grafen-nanokapillærer. Vi spekulerede endda i, at dette kunne skyldes todimensionel firkantet is ... men at se er at tro."

Han tilføjede:"Vand er nok det mest undersøgte stof nogensinde, men ingen troede, at is kunne være firkantet. Denne historie viser, hvor meget ny viden, der mangler at blive afdækket, når man går ned til nanoskalaen."