Optrævling af adfærden af ​​nanobundet vand og is under ekstreme forhold

At forstå vandadfærd i nanoporer er afgørende for både videnskab og praktiske anvendelser. Forskere fra City University of Hong Kong (CityU) har afsløret den bemærkelsesværdige opførsel af vand og is under højt tryk og temperatur og stærk indespærring.

Undersøgelsen, med titlen "Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices", blev offentliggjort i Nature Physics .

Disse resultater, som trodser den normale adfærd, der observeres i dagligdagen, rummer et enormt potentiale for at fremme vores forståelse af vands usædvanlige egenskaber i ekstreme miljøer, såsom i kernen af ​​fjerne isplaneter. Implikationerne af denne store videnskabelige fremgang spænder over forskellige områder, herunder planetvidenskab, energividenskab og nanofluidisk teknik.

Anført af professor Zeng Xiaocheng, leder og formand professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik ved CityU, brugte forskerholdet avancerede beregningsmetoder til at simulere egenskaberne af vand og is under ekstreme forhold.

Gennem maskinlæringspotentiale, krystalstruktursøgninger, sti-integral molekylær dynamik og metadynamics udførte de omfattende simuleringer af mono- og tolagsvand under nanoindeslutning. Disse simuleringer afslørede en række spændende fænomener, herunder todimensionel (2D) is-til-vand-smeltning, ny isadfærd, vandspaltning og protondynamik i nanois.

Forskerholdet opdagede 10 nye 2D-istilstande, der hver udviser unikke egenskaber. Især identificerede de 2D molekylær is med en symmetrisk O-H-O-konfiguration, der minder om den højeste tæthed 3D Ice X fundet på Jorden. Derudover observerede de dynamisk, delvist ionisk is og flere superioniske is. Overraskende nok kunne disse 2D-istilstande produceres ved meget lavere tryk end deres 3D-modstykker med lignende vandtæthed, hvilket gør dem mere tilgængelige under laboratorieforhold.

Professor Zeng understregede betydningen af ​​disse resultater og udtalte, at de repræsenterer en ny grænse i forståelsen af ​​vand og iss fysik og kemi under ekstreme forhold, især i kernen af ​​isgigantiske planeter.

"Potentialet til at skabe disse unikke is- og vandopdelingstilstande i laboratoriet, herunder dynamiske, delvist ioniske og superioniske iser ved lavere tryk end tidligere antaget muligt, er særligt spændende," sagde professor Zeng.

At udforske adfærden af ​​vand og is under forskellige forhold, især når nanoindeslutning overvejes, er en dybt kompleks opgave.

Forskerholdet tacklede denne udfordring gennem et omfattende antal simuleringer af molekylær dynamik og sti-integral molekylær dynamik, hvilket genererede et stort datasæt. At udtrække meningsfuld indsigt fra denne enorme mængde data udgjorde en betydelig dataanalyseudfordring, der krævede omhyggelig udforskning.

Disse resultater baner vejen for fremtidig forskning i mysterierne om isgigantiske planeter og vands grundlæggende egenskaber. Den næste fase af denne forskning involverer eksperimentel validering af beregningsmæssige forudsigelser og udforskning af praktiske anvendelser.

Professor Zeng udtrykte entusiasme over potentialet i denne forskning for at uddybe vores forståelse af vand, is og vandopdeling i ekstreme miljøer, samtidig med at den åbner nye grænser inden for nanovidenskab og planetarisk forskning.

Flere oplysninger: Jian Jiang et al., Rig protondynamik og faseadfærd af nanobegrænsede iser, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02341-8

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af City University of Hong Kong