کشف یک حالت جدید از آب

به گزارش رکنا، محققان دانشگاه کمبریج دریافته‌اند که آب در یک لایه مولکولی، نه مانند یک مایع و نه مانند یک ماده جامد عمل می‌کند و همچنین تحت فشار شدید، رسانای الکتریکی می‌شود.

آب معمولاً هنگام یخ زدن منبسط می‌شود و نقطه جوش بالایی دارد. با این حال، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که وقتی آب در مقیاس نانو فشرده می‌شود، خواص آن به طور چشمگیری تغییر می‌کند.

درک کامل رفتار آب به دلیل مشکلاتی که در توصیف تجربی حالات یا فازهای آن در مقیاس نانو وجود دارد، هنوز ممکن نشده است. با این حال، یک تیم تحت رهبری دانشگاه کمبریج توضیح می‌دهد که چگونه توانسته است نمودار حالت یک لایه به ضخامت یک مولکول آب را با دقت فوق‌العاده‌ای پیش‌بینی کند.

حالت‌های هگزاتیک و سوپریونیک

دانشمندان کشف کردند که آبی که در لایه‌ای به ضخامت یک مولکول قرار دارد، در چندین حالت از جمله حالت "هگزاتیک" و حالت "سوپریونیک" یا "اَبَریونی" حرکت می‌کند.

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

آب سوپریونیک که یخ سوپریونیک یا یخ XVIII نیز نامیده می‌شود، حالتی از آب است که در دما و فشار بسیار بالا وجود دارد. در آب فوق یونی، مولکول‌های آب از هم جدا می‌شوند و یون‌های اکسیژن به شکل شبکه‌ای با فاصله یکسان متبلور می‌شوند، در حالی که یون‌های هیدروژن آزادانه در اطراف شبکه اکسیژن شناور می‌شوند.

آب در حالت هگزاتیک به عنوان چیزی بین جامد و مایع عمل می‌کند. در فشارهای بیشتر در طول فاز ابریونی نیز آب به شدت رسانا می‌شود و پروتون‌ها به سرعت از طریق یخ به روشی مشابه حرکت الکترون‌ها در یک رسانا پیش می‌روند.

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 نظریه‌های قبلی در مورد مواد دو بعدی مطابقت دارد. رویکرد ما نشان می‌دهد که این فاز را می‌توان با محصور کردن آب در یک کانال گرافنی به صورت تجربی مشاهده کرد.

وی افزود: 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 می‌شود. یکی از راه‌های تجسم این فاز این است که اتم‌های اکسیژن یک توری جامد تشکیل می‌دهند و پروتون‌ها مثل مایعی که از توری می‌گذرد، جریان می‌یابند.

این یافته‌ها نه تنها به راه جدیدی برای کشف رفتار ابریونی در مواد دیگر اشاره می‌کند، بلکه به روشی جدید برای درک چگونگی رفتار آب در مقیاس نانو اشاره می‌کند.

در چکیده این مطالعه آمده است: آب در حفره‌های نانومقیاس در همه جا وجود دارد و برای پدیده‌های روزمره در زمین‌شناسی و زیست‌شناسی اهمیت اساسی دارد. با این حال، خواص آب در مقیاس نانو می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای با خواص آب حجیم متفاوت باشد. به عنوان مثال، با ثابت دی‌الکتریک غیرعادی پایین آب در کانال‌های نانو، جریان آب بدون اصطکاک نشان داده شده است. چنین ویژگی‌هایی نشان می‌دهد که آب در مقیاس نانو می‌تواند برای کاربردهای فناوری در نانوسیالات، مواد الکترولیت و نمک‌زدایی آب مهندسی شود.

متأسفانه چالش‌ها در نمایش تجربی آب در مقیاس نانو و هزینه بالای شبیه‌سازی‌های آن، مانع از درک سطح مولکولی مورد نیاز برای کنترل رفتار آب شده است. در اینجا ما طیف وسیعی از رویکردهای محاسباتی را با هم ترکیب می‌کنیم تا بتوانیم بررسی سطح اصول اولیه یک لایه آب را در یک کانال شبه‌گرافن انجام دهیم.

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

علاوه بر فازهای مولکولی متعدد با دمای ذوب که به طور غیر یکنواخت به میزان بیش از ۴۰۰ کلوین با فشار تغییر می‌کند، ما یک فاز هگزاتیک را پیش‌بینی می‌کنیم 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 می‌دهد محصور شدن آب در مقیاس نانو می‌تواند مسیری امیدوارکننده به سوی رفتار ابریونی در شرایطی که به راحتی قابل دسترسی است، باشد.

نتایج این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.