Kvantedestabilisering af en vandsandwich

Fra regndråber, der ruller af den voksagtige overflade af et åkandeblad til effektiviteten af ​​afsaltningsmembraner, interaktioner mellem vandmolekyler og vandafvisende "hydrofobe" overflader er overalt omkring os. Samspillet bliver endnu mere spændende, når et tyndt vandlag bliver klemt mellem to hydrofobe overflader, KAUST -forskere har vist.

I begyndelsen af ​​1980'erne, forskere bemærkede først en uventet effekt, da to hydrofobe overflader langsomt blev bragt sammen i vand. "På et tidspunkt, de to overflader ville pludselig hoppe i kontakt - som to magneter, der blev bragt sammen, " siger Himanshu Mishra fra KAUST's Water Desalination and Reuse Center. Mishras laboratorium undersøger vand i alle længdeskalaer, fra at reducere vandforbruget i landbruget, til egenskaberne af individuelle vandmolekyler.

Forskere kunne ikke forklare fænomenet på molekylært niveau, så i 2016, Mishra arrangerede en KAUST-konference om emnet. "Vi samlede ledere på området - eksperimentalister og teoretikere - hvilket førte til intense debatter om forståelsen af ​​hydrofobe overfladekræfter, " han siger.

En del af udfordringen var, at den hydrofobe interaktion er unik for vand. "Det er ikke muligt at få indsigt gennem andre væsker eller tilføje co-opløsningsmidler til vand:interaktionen er dramatisk reduceret eller tabt, " forklarer Buddha Shrestha, en postdoktor i Mishras laboratorium.

Inspireret af konferencen, Mishra kom op med ideen om at sammenligne almindeligt vand med "tungt vand, "hvor brintatomerne er erstattet af en tungere brintisotop kaldet deuterium.

"Vores overfladekraftmålinger afslørede, at den attraktive kraft altid var cirka 10 procent højere i H ₂ O end i D ₂ Åh, " siger Sreekiran Pillai, en ph.d. studerende i Mishras laboratorium. Samarbejde med Tod Pascal ved University of California San Diego, holdet kom med en forklaring.

Jo mindre en genstand er, jo mindre strengt det er styret af den klassiske fysiks love og jo mere er det underlagt kvanteeffekter. Det lille brintatom er et kvanteobjekt - nogle gange opfører det sig som en partikel, nogle gange mere som en bølge. Deuterium, dobbelt så tung som brint, er mindre udsat for kvanteeffekter. Konsekvensen er, at D ₂ O er mindre destabiliseret end H ₂ O når den klemmes mellem to hydrofobe overflader og brintbindingerne mellem vandmolekyler brydes.

Opdagelsen kan have praktiske konsekvenser, Siger Mishra. "For eksempel, disse resultater kan hjælpe udviklingen af ​​nanofluidiske platforme til molekylær adskillelse."

"Dette er meget imponerende arbejde, der viser, hvordan kvantekerneeffekter i vand bliver betydelige på nanoskalaen, " forklarer professor Mischa Bonn, direktør for Max Planck Institute for Polymer Research. "Resultaterne illustrerer, at der stadig er meget at lære om vand på det grundlæggende niveau, dog med direkte relevans for nanoskala-begrænset vand i, for eksempel, nanoporer, der bruges til vandrensning og afsaltning. "