Beviser for faststof-væske kritiske punkter i vand i kulstof nanorør

Mange fysikere accepterer ikke ideen om, at en fast-flydende fase-grænse kan ende på et kritisk punkt - en unik tilstand, hvor to faser mister deres separate identiteter. Hvorfor gør de ikke? Den autoritative lærebog af Landau og Lifshitz siger, at "vi kun kan sige, at en bestemt symmetriegenskab udgår eller ikke eksisterer; ... Det kritiske punkt kan derfor ikke eksistere for sådanne faser." Men siden 2001, muligheden for det faststof-væske kritiske punkt er blevet rapporteret i computersimuleringsundersøgelser af vand i nanoporer. Faktisk, der er ingen strenge beviser for ikke-eksistensen af ​​det faste-væske kritiske punkt.

Kenji Mochizuki og Kenichiro Koga ved Okayama University leverede utvetydige beviser for at understøtte det faste-væske kritiske punkt for en klasse af vand i nanorør ved at udføre omfattende molekylær dynamik-simuleringer:makroskopisk fast-væske faseadskillelse under en kritisk temperatur Tc, divergerende varmekapacitet og isotermisk kompressibilitet omkring Tc, og loci for responsfunktionsmaksima (Widom-linjerne) over Tc.

Figur 1 viser hydrogenbindingstrukturer af seks iskrystaller dannet i carbon -nanorør med diametre på 1,11 nm og 1,25 nm. Forskerne fandt ud af, at alle førsteordens fasegrænser mellem isen og væsken til sidst ophørte med at eksistere på de kritiske punkter, som vist i figur 2. T-P fasediagrammet er meget forskelligt fra det for bulkvand, hvor isområder er fuldstændigt omgivet af førsteordens fasegrænser (optrukne sorte linjer).

Forskerne gav også en mikroskopisk forklaring på en simpel, endnu ubesvaret, spørgsmål:hvordan kan flydende vand konstant fryse til krystallinsk is? De fandt dynamiske fluktuationer af mikroskopiske domæner af vand og is nær det kritiske punkt - et mikroskopisk billede af vand i løbet af gradvis frysning eller smeltning.

De kritiske punkter i begrænset vand er allestedsnærværende og kan findes ved omgivelsesbetingelser ved at indstille porediameteren, og derfor er en af ​​de potentielle anvendelser at bruge de justerbare kritiske fluktuationer for at lette kemiske reaktioner, strukturelle ændringer i biologiske molekyler, og dannelse af samling af biomolekyler i vand.