محققان با بررسی آب محصور شده در مقیاس نانو، فازهای جدیدی از آب را کشف کردند که کاربردهای زیادی در صنعت می‌تواند داشته باشد.
فازهای جدیدی از آب کشف شد!
دانشمندان دانشگاه کمبریج دریافتند که آب در یک لایه تک مولکولی، نه مانند مایع و نه جامد عمل می‌کند و در فشارهای بالا بسیار رسانا می‌شود.
در مورد رفتار آب حجیم اطلاعات زیادی وجود دارد، هنگامی که یخ می‌زند منبسط می‌شود و نقطه جوش بالایی پیدا می‌کند. اما زمانی که آب در مقیاس نانو فشرده می‌شود، خواص آن به طور چشمگیری تغییر می‌کند.
محققان با توسعه روشی جدید برای پیش‌بینی این رفتار غیرعادی با دقت بی‌سابقه‌ای، چندین فاز جدید آب را در سطح مولکولی شناسایی کرده‌اند.
آب حبس شده بین غشاها یا در حفره‌های کوچک در مقیاس نانو امری رایج است، این آب را می‌توان در همه چیز از غشاهای بدن ما گرفته تا درون زمین یافت. اما این آب نانومتری رفتار بسیار متفاوتی با آبی که ما می‌نوشیم دارد.
تاکنون، چالش‌های توصیف تجربی فازهای آب در مقیاس نانو مانع از درک کامل رفتار آن شده است. اما در مقاله‌ای که در مجله نیچر منتشر شده است، این تیم تحقیقاتی از دانشگاه کمبریج توضیح می‌دهد که چگونه از پیشرفت در رویکردهای محاسباتی برای پیش‌بینی نمودار فاز یک لایه ضخیم مولکولی آب با دقت بی‌سابقه‌ای استفاده کرده‌اند.
محققان دریافتند که آبی که در یک لایه ضخیم تک مولکولی محصور شده است از چندین فاز، از جمله فاز “هگزاتیک” و فاز “سوپریونیک” عبور می‌کند. در فاز هگزاتیک، آب نه به عنوان جامد و نه به عنوان مایع عمل می‌کند، بلکه چیزی بین این دو است. در فاز فوق یونی، که در فشارهای بالاتر اتفاق می‌افتد، آب به شدت رسانا می‌شود و پروتون‌ها را به سرعت از طریق یخ به حرکت در می‌آورد که شبیه جریان الکترون‌ها در یک هادی است.
درک رفتار آب در مقیاس نانو برای بسیاری از فناوری‌های جدید حیاتی است. موفقیت درمان‌های پزشکی می‌تواند به نحوه واکنش آب محبوس شده در حفره‌های کوچک بدن ما بستگی داشته باشد. توسعه الکترولیت‌های بسیار رسانا برای باتری‌ها، نمک‌زدایی آب و حمل و نقل بدون اصطکاک سیالات، همگی به پیش‌بینی نحوه رفتار آب محدود بستگی دارد.
دکتر ونکات کاپیل از گروه شیمی این دانشگاه گفت: «برای همه این حوزه‌ها، درک رفتار آب یک سوال اساسی است. رویکرد ما امکان مطالعه یک لایه آب را در کانالی شبیه گرافن با دقت پیش‌بینی بی‌سابقه‌ای فراهم می‌کند.»
محققان دریافتند که لایه ضخیم تک مولکولی آب در نانوکانال رفتار فازی غنی و متنوعی از خود نشان می‌دهد. رویکرد آن‌ها چندین فاز را پیش‌بینی می‌کند که شامل فاز هگزاتیک و همچنین یک فاز فوق یونی است که در آن آب رسانایی الکتریکی بالایی دارد.
کاپیل گفت: «فاز هگزاتیک نه جامد و نه مایع است، بلکه یک حد واسط است که با نظریه‌های قبلی در مورد مواد دو بعدی همخوانی دارد. رویکرد ما همچنین نشان می‌دهد که می‌توان این فاز را با محصور کردن آب در کانال گرافن به‌طور تجربی مشاهده کرد.
محققان می گویند این فاز فوق یونی می‌تواند برای الکترولیت‌ها و مواد باتری در آینده مهم باشد زیرا رسانایی الکتریکی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از مواد باتری فعلی را نشان می‌دهد.
نتایج نه تنها به درک چگونگی عملکرد آب در مقیاس نانو کمک می‌کند، بلکه نشان می‌دهد که «نانو محصور کردن» می‌تواند مسیر جدیدی برای یافتن رفتار ابریونیک مواد باشد.
