Nye faser af vand opdaget

Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain

Forskere ved University of Cambridge har opdaget, at vand i et lag med ét molekyle hverken virker som en væske eller et fast stof, og at det bliver stærkt ledende ved høje tryk.

Man ved meget om, hvordan "bulkvand" opfører sig:det udvider sig, når det fryser, og det har et højt kogepunkt. Men når vand komprimeres til nanoskala, ændres dets egenskaber dramatisk.

Ved at udvikle en ny måde at forudsige denne usædvanlige adfærd med hidtil uset nøjagtighed, har forskerne opdaget flere nye faser af vand på molekylært niveau.

Vand fanget mellem membraner eller i små nanoskala hulrum er almindeligt - det kan findes i alt fra membraner i vores kroppe til geologiske formationer. Men dette nanobundne vand opfører sig meget anderledes end det vand, vi drikker.

Indtil nu har udfordringerne ved eksperimentelt at karakterisere vandets faser på nanoskala forhindret en fuld forståelse af dets adfærd. Men i et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature , beskriver det Cambridge-ledede team, hvordan de har brugt fremskridt inden for beregningsmæssige tilgange til at forudsige fasediagrammet for et et-molekyle tykt lag vand med hidtil uset nøjagtighed.

De brugte en kombination af beregningsmæssige tilgange til at muliggøre undersøgelsen af et enkelt vandlag på første principper niveau.

Forskerne fandt ud af, at vand, der er indespærret i et et-molekyle tykt lag, går gennem flere faser, herunder en "hexatisk" fase og en "superionisk" fase. I den hexatiske fase fungerer vandet hverken som et fast stof eller en væske, men som noget midt imellem. I den superioniske fase, som forekommer ved højere tryk, bliver vandet stærkt ledende, og driver protoner hurtigt gennem isen på en måde, der ligner strømmen af elektroner i en leder.

First-principles simulation af den hexatiske fase , svarende til 1,00 GPa og 340 K tilstandspunktet, i nærværelse af expli cit-carbonatomer på teoriniveauet revPBE0-D3. Kredit:Nature (2022). DOI:10.1038/s41586-022-05036-x

At forstå vandets adfærd på nanoskala er afgørende for mange nye teknologier. Succesen med medicinske behandlinger kan afhænge af, hvordan vand fanget i små hulrum i vores kroppe vil reagere. Udviklingen af stærkt ledende elektrolytter til batterier, vandafsaltning og friktionsfri transport af væsker er alle afhængige af at forudsige, hvordan indelukket vand vil opføre sig.

Første s rinciples simulering af den superioniske fase, svarende til 4.00 GPa og 600 K tilstandspunktet, i nærvær af eksplicitte carbonatomer på teoriniveauet revPBE0-D3. Mens vi observerer dissociation i en 10 ps tidsskala, ser vi ikke nogen reaktivitet af protonen med carbonatomerne. Kredit:Nature (2022). DOI:10.1038/s41586-022-05036-x

"For alle disse områder er forståelsen af vandets adfærd det grundlæggende spørgsmål," sagde Dr. Venkat Kapil fra Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, avisens første forfatter. "Vores tilgang tillader studiet af et enkelt lag vand i en grafenlignende kanal med hidtil uset prædiktiv nøjagtighed."

Forskerne fandt ud af, at det et-molekyle tykke lag af vand i nanokanalen viste rig og forskelligartet faseadfærd. Deres tilgang forudsiger adskillige faser, som inkluderer den hexatiske fase – en mellemting mellem et fast stof og en væske – og også en superionisk fase, hvor vandet har en høj elektrisk ledningsevne.

"Den hexatiske fase er hverken et fast stof eller en væske, men et mellemprodukt, hvilket stemmer overens med tidligere teorier om todimensionelle materialer," sagde Kapil. "Vores tilgang antyder også, at denne fase kan ses eksperimentelt ved at begrænse vand i en grafenkanal.

"Eksistensen af den superioniske fase under let tilgængelige forhold er ejendommelig, da denne fase generelt findes under ekstreme forhold som Uranus og Neptuns kerne. En måde at visualisere denne fase på er, at iltatomerne danner et fast gitter, og protoner flyder som en væske gennem gitteret, som børn der løber gennem en labyrint."

Forskerne siger, at denne superioniske fase kan være vigtig for fremtidige elektrolyt- og batterimaterialer, da den viser en elektrisk ledningsevne, der er 100 til 1.000 gange højere end nuværende batterimaterialer.

Resultaterne vil ikke kun hjælpe med at forstå, hvordan vand fungerer på nanoskala, men antyder også, at "nanoindeslutning" kunne være en ny vej til at finde superionisk adfærd af andre materialer. + Udforsk yderligere

Forudsigelse af en ny fase af superionisk is

Sidste artikelMuliggør præcis kontrol af katalytiske reaktioner

Næste artikelOpløsningsmiddeleffekt på filmdannelse og enhedsydelse for 2D Dion-Jacobson perovskite solceller