شناسایی حالت جدیدی از آب - تور ایران

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، محققان دانشگاه کمبریج دریافته اند که آب در یک لایه مولکولی، نه مانند یک مایع و نه مانند یک ماده جامد عمل می کند و همچنین تحت فشار شدید، رسانای الکتریکی می شود.

آب معمولاً هنگام یخ زدن منبسط می شود و نقطه جوش بالایی دارد. با این حال، تحقیقات نو نشان می دهد که وقتی آب در مقیاس نانو فشرده می شود، خواص آن به طور چشمگیری تغییر می کند.

درک کامل رفتار آب به دلیل مشکلاتی که در توصیف تجربی حالات یا فاز های آن در مقیاس نانو وجود دارد، هنوز ممکن نشده است. با این حال، یک تیم تحت رهبری دانشگاه کمبریج توضیح می دهد که چگونه توانسته است نمودار حالت یک لایه به ضخامت یک مولکول آب را با دقت فوق العاده ای پیش بینی کند.

حالت های هگزاتیک و سوپریونیک

دانشمندان کشف کردند که آبی که در لایه ای به ضخامت یک مولکول قرار گرفته است، در چندین حالت از جمله حالت هگزاتیک و حالت سوپریونیک یا اَبَریونی حرکت می کند.

حالت یا فاز هگزاتیک، حالتی از ماده است که بین فاز جامد و مایع همسانگرد در سیستم های دو بعدی ذرات قرار گرفته است.

آب سوپریونیک که یخ سوپریونیک یا یخ XVIII نیز نامیده می شود، حالتی از آب است که در دما و فشار بسیار بالا وجود دارد. در آب فوق یونی، مولکول های آب از هم جدا می شوند و یون های اکسیژن به شکل شبکه ای با فاصله یکسان متبلور می شوند، در حالی که یون های هیدروژن آزادانه در اطراف شبکه اکسیژن شناور می شوند.

آب در حالت هگزاتیک به عنوان چیزی بین جامد و مایع عمل می کند. در فشار های بیشتر در طول فاز ابریونی نیز آب به شدت رسانا می شود و پروتون ها به سرعت از طریق یخ به روشی مشابه حرکت الکترون ها در یک رسانا پیش می روند.

دکتر ونکات کاپیل از گروه شیمی دانشگاه کمبریج و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: فاز هگزاتیک نه جامد است و نه مایع، بلکه یک حد واسط است که با نظریه های قبلی در مورد مواد دو بعدی مطابقت دارد. رویکرد ما نشان می دهد که این فاز را می توان با محصور کردن آب در یک کانال گرافنی به صورت تجربی مشاهده کرد.

وی اضافه نمود: وجود فاز ابریونی در شرایطی که به راحتی قابل دسترسی است، عجیب است، زیرا این فاز عموما در شرایط پرآشوب مانند هسته اورانوس و نپتون یافت می شود. یکی از راه های تجسم این فاز این است که اتم های اکسیژن یک توری جامد تشکیل می دهند و پروتون ها مثل مایعی که از توری می گذرد، جریان می یابند.

این یافته ها نه تنها به راه نوی برای کشف رفتار ابریونی در مواد دیگر اشاره می کند، بلکه به روشی نو برای درک چگونگی رفتار آب در مقیاس نانو اشاره می کند.

در چکیده این مطالعه آمده است: آب در حفره های نانومقیاس در همه جا وجود دارد و برای پدیده های روزمره در زمین شناسی و زیست شناسی اهمیت اساسی دارد. با این حال، خواص آب در مقیاس نانو می تواند به طور قابل ملاحظه ای با خواص آب حجیم متفاوت باشد.

به عنوان مثال، با ثابت دی الکتریک غیرعادی پایین آب در کانال های نانو، جریان آب بدون اصطکاک نشان داده شده است. چنین ویژگی هایی نشان می دهد که آب در مقیاس نانو می تواند برای کاربرد های فناوری در نانوسیالات، مواد الکترولیت و نمک زدایی آب مهندسی شود.

متأسفانه چالش ها در نمایش تجربی آب در مقیاس نانو و هزینه بالای شبیه سازی های آن، مانع از درک سطح مولکولی مورد نیاز برای کنترل رفتار آب شده است. در اینجا ما طیف وسیعی از رویکرد های محاسباتی را با هم ترکیب می کنیم تا بتوانیم بررسی سطح اصول اولیه یک لایه آب را در یک کانال شبه گرافن انجام دهیم.

ما متوجه شدیم که آبِ تک لایه به طرز شگفت انگیزی رفتار فازی غنی و متنوعی از خود نشان می دهد که به دما و فشار واندروالس که در نانوکانال عمل می کند، بسیار حساس است.

علاوه بر فاز های مولکولی متعدد با دمای ذوب که به طور غیر یکنواخت به میزان بیش از 400 کلوین با فشار تغییر می کند، ما یک فاز هگزاتیک را پیش بینی می کنیم که حد واسط بین جامد و مایع است و یک فاز ابریونی با رسانایی الکتریکی بالا، آن هم بیش از رسانایی الکتریکی مواد باتری که نشان می دهد محصور شدن آب در مقیاس نانو می تواند مسیری امیدوارکننده به سوی رفتار ابریونی در شرایطی که به راحتی قابل دسترسی است، باشد.

نتایج این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.