Nye faser av vann oppdaget

Forskere ved University of Cambridge har oppdaget at vann i et lag med ett molekyl verken virker som en væske eller et fast stoff, og at det blir svært ledende ved høye trykk.

Mye er kjent om hvordan “bulkvann” oppfører seg: det utvider seg når det fryser, og det har et høyt kokepunkt. Men når vann komprimeres til nanoskala, endres egenskapene dramatisk.

Ved å utvikle en ny måte å forutsi denne uvanlige oppførselen med enestående nøyaktighet, har forskerne oppdaget flere nye faser av vann på molekylært nivå.

Vann fanget mellom membraner eller i bittesmå nanoskala hulrom er vanlig – det kan finnes i alt fra membraner i kroppen vår til geologiske formasjoner. Men dette nanobegrensede vannet oppfører seg veldig annerledes enn vannet vi drikker.

Til nå har utfordringene med å eksperimentelt karakterisere fasene til vann på nanoskala forhindret en full forståelse av dets oppførsel. Men i en artikkel publisert i tidsskriftet Naturbeskriver det Cambridge-ledede teamet hvordan de har brukt fremskritt innen beregningsmessige tilnærminger å forutsi fasediagrammet til et ett-molekyl tykt lag med vann med enestående nøyaktighet.

De brukte en kombinasjon av beregningsmessige tilnærminger for å muliggjøre undersøkelsen på første prinsippnivå av et enkelt lag med vann.

Forskerne fant at vann som er begrenset til et ett-molekyl tykt lag, går gjennom flere faser, inkludert en “heksatisk” fase og en “superionisk” fase. I den heksatiske fasen fungerer vannet verken som et fast stoff eller en væske, men noe midt i mellom. I den superioniske fasen, som skjer ved høyere trykk, blir vannet svært ledende, og driver protoner raskt gjennom isen på en måte som ligner strømmen av elektroner i en leder.

Å forstå oppførselen til vann på nanoskala er avgjørende for mange nye teknologier. Suksessen til medisinske behandlinger kan være avhengig av hvordan vann som er fanget i små hulrom i kroppen vår vil reagere. Utviklingen av svært ledende elektrolytter for batterier, avsalting av vann og friksjonsfri transport av væsker er alle avhengige av å forutsi hvordan innestengt vann vil oppføre seg.

“For alle disse områdene er forståelsen av vannets oppførsel det grunnleggende spørsmålet,” sa Dr. Venkat Kapil fra Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, avisens første forfatter. “Vår tilnærming tillater studiet av et enkelt lag med vann i en grafenlignende kanal med enestående prediktiv nøyaktighet.”

Forskerne fant at ett-molekylet tykt lag av vann i nanokanalen viste rik og mangfoldig faseadferd. Deres tilnærming forutsier flere faser som inkluderer den heksatiske fasen – et mellomledd mellom et fast stoff og en væske – og også en superionisk fase, der vannet har en høy elektrisk ledningsevne.

“Den heksatiske fasen er verken et fast stoff eller en væske, men et mellomprodukt, som stemmer overens med tidligere teorier om todimensjonale materialer,” sa Kapil. “Vår tilnærming antyder også at denne fasen kan sees eksperimentelt ved å begrense vann i en grafenkanal.

“Eksistensen av den superioniske fasen under lett tilgjengelige forhold er særegen, siden denne fasen vanligvis finnes under ekstreme forhold som kjernen av Uranus og Neptun. En måte å visualisere denne fasen på er at oksygenatomer danner et solid gitter, og protoner flyter som en væske gjennom gitteret, som barn som løper gjennom en labyrint.”

Forskerne sier at denne superioniske fasen kan være viktig for fremtidige elektrolytt- og batterimaterialer, siden den viser en elektrisk ledningsevne 100 til 1000 ganger høyere enn dagens batterimaterialer.

Resultatene vil ikke bare hjelpe med å forstå hvordan vann jobber på nanoskala, men antyder også at “nanoconfinement” kan være en ny vei for å finne superionisk oppførsel til andre materialer.

---

---