Indespærret i små kulstof nanorør, ekstremt koldt vands molekyler stiller op i en højt ordnet kæde

Enkeltvæggede kulstofnanorør fungerer som små sugerør, der er så smalle, at vand indespærret ikke kan fryse ind i sin normale krystallignende struktur. I særdeleshed, i meget tynde nanorør, vandmolekyler justeres på en enkelt fil måde. Ved stuetemperatur, hvert molekyle forbliver orienteret i en tilfældig retning, skabe en uorden kæde. For første gang, forskere observerede, at ved en kold 150 K, disse molekyler gennemgår en kvasifaseovergang. I denne overgang, molekylerne orienterer sig i en meget struktureret, klassisk hydrogenbundet arrangement.

Rent vand er livsvigtigt for mennesker, afgrøder og husdyr. Teknologier, der bruger kulstofnanorør, kan gavne vandrensning og afsaltning. Oprettelse af sådanne enheder kræver at vide, hvordan vand begrænset i sådanne rør opfører sig. Også, at vide, hvordan vand opfører sig i trange rum, vil hjælpe videnskabsmænd med at studere andre komplekse systemer, såsom hvordan toksiner bevæger sig gennem cellevægge.

Mens videnskabsmænd har vidst, at molekyler, der er indespærret i enkeltvæggede nanorør, opfører sig anderledes end deres bulk-modstykker, det har tidligere været umuligt at studere disse interaktioner i et virkelig ensartet miljø. For første gang, forskere har været i stand til at udvælge nanorør af samme chiralitet og med en meget lille diameter, der kun kan fyldes med det ene vandmolekyle efter det andet, giver en enkeltfilskæde. Ved at studere fotoluminescensegenskaberne af tomme nanorør sammenlignet med vandfyldte nanorør, forskere bemærkede et pludseligt skift i emissionsfarven af ​​fyldte nanorør ved ~150 K. Tidligere undersøgelser havde observeret mere generelle skift, men videnskabsmænd kunne ikke bestemme den nøjagtige temperatur på skiftet og kunne kun spekulere i årsagen bag skiftet. I dette kontrollerede eksperiment, hvor der blev foretaget en direkte sammenligning mellem vandfyldte og tomme nanorør, forskere opdagede stærkt ordnede strukturer af vand inden for disse nanorør, en tilstand, der tidligere kun var blevet forudsagt af teoretiske simuleringer.

Gruppen udførte yderligere simuleringer af molekylær dynamik på dette system som en funktion af temperaturen. De fastslog, at vanddipolorientering er grundlaget for faseovergangen. Dette fund giver plads til mere teori til at forklare kvasifase-overgangen, mens hele undersøgelsen fremmer forståelsen af ​​indesluttede molekyler til brug ved undersøgelse af komplekse naturlige systemer og udvikling af nye mikrofluidiske applikationer.