Fasa baharu air dikesan

Kredit: Domain Awam Pixabay/CC0

Para saintis di Universiti Cambridge telah menemui bahawa air dalam lapisan satu molekul bertindak seperti cecair mahupun pepejal, dan ia menjadi sangat konduktif pada tekanan tinggi.

Banyak yang diketahui tentang bagaimana “air pukal” berkelakuan: ia mengembang apabila ia membeku, dan ia mempunyai takat didih yang tinggi. Tetapi apabila air dimampatkan ke skala nano, sifatnya berubah secara mendadak.

Dengan membangunkan cara baharu untuk meramalkan tingkah laku luar biasa ini dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini, para penyelidik telah mengesan beberapa fasa baharu air pada tahap molekul.

Air yang terperangkap di antara membran atau dalam rongga berskala nano kecil adalah perkara biasa—ia boleh ditemui dalam segala-galanya daripada membran dalam badan kita kepada pembentukan geologi. Tetapi air nanoconfined ini berkelakuan sangat berbeza daripada air yang kita minum.

Sehingga kini, cabaran mencirikan secara eksperimen fasa air pada skala nano telah menghalang pemahaman penuh tentang kelakuannya. Tetapi dalam kertas kerja yang diterbitkan dalam jurnal alam semula jadipasukan yang diketuai Cambridge menerangkan bagaimana mereka telah menggunakan kemajuan dalam pendekatan pengiraan untuk meramalkan rajah fasa lapisan tebal satu molekul air dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini.

Mereka menggunakan gabungan pendekatan pengiraan untuk membolehkan penyiasatan peringkat prinsip pertama bagi satu lapisan air.

Para penyelidik mendapati bahawa air yang terkurung dalam lapisan tebal satu molekul melalui beberapa fasa, termasuk fasa “heksatik” dan fasa “superionik”. Dalam fasa heksatik, air bertindak sebagai bukan pepejal atau cecair, tetapi sesuatu di antaranya. Dalam fasa superionik, yang berlaku pada tekanan yang lebih tinggi, air menjadi sangat konduktif, mendorong proton dengan cepat melalui ais dengan cara yang menyerupai aliran elektron dalam konduktor.






Simulasi prinsip pertama fasa heksatik, sepadan dengan titik keadaan 1.00 GPa dan 340 K, dengan kehadiran atom karbon eksplisit pada tahap teori revPBE0-D3. Kredit: alam semula jadi (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

Memahami tingkah laku air pada skala nano adalah penting kepada banyak teknologi baharu. Kejayaan rawatan perubatan boleh bergantung kepada bagaimana air yang terperangkap dalam rongga kecil dalam badan kita akan bertindak balas. Pembangunan elektrolit yang sangat konduktif untuk bateri, penyahgaraman air, dan pengangkutan cecair tanpa geseran semuanya bergantung pada meramalkan bagaimana air terkurung akan bertindak.






Simulasi prinsip pertama fasa superionik, sepadan dengan titik keadaan 4.00 GPa dan 600 K, dengan kehadiran atom karbon eksplisit pada tahap teori revPBE0-D3. Semasa kita memerhatikan pemisahan dalam skala masa 10 ps, ​​kita tidak melihat sebarang kereaktifan proton dengan atom karbon. Kredit: alam semula jadi (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

“Untuk semua bidang ini, memahami tingkah laku air adalah persoalan asas,” kata Dr. Venkat Kapil dari Jabatan Kimia Yusuf Hamied Cambridge, pengarang pertama kertas itu. “Pendekatan kami membenarkan kajian satu lapisan air dalam saluran seperti graphene dengan ketepatan ramalan yang tidak pernah berlaku sebelum ini.”

Para penyelidik mendapati bahawa satu molekul lapisan tebal air dalam saluran nano menunjukkan tingkah laku fasa yang kaya dan pelbagai. Pendekatan mereka meramalkan beberapa fasa yang merangkumi fasa heksatik—perantaraan antara pepejal dan cecair—dan juga fasa superionik, di mana air mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi.

“Fasa heksatik bukanlah pepejal atau cecair, tetapi perantaraan, yang bersetuju dengan teori terdahulu mengenai bahan dua dimensi, ” kata Kapil. “Pendekatan kami juga mencadangkan bahawa fasa ini boleh dilihat secara eksperimen dengan mengurung air dalam saluran graphene.

“Kewujudan fasa superionik pada keadaan yang mudah diakses adalah pelik, kerana fasa ini biasanya ditemui dalam keadaan yang melampau seperti teras Uranus dan Neptun. Satu cara untuk menggambarkan fasa ini ialah atom oksigen membentuk kekisi pepejal, dan proton mengalir seperti cecair melalui kekisi, seperti kanak-kanak berlari melalui labirin.”

Para penyelidik mengatakan fasa superion ini mungkin penting untuk bahan elektrolit dan bateri masa depan kerana ia menunjukkan kekonduksian elektrik 100 hingga 1,000 kali lebih tinggi daripada bahan bateri semasa.

Hasilnya bukan sahaja akan membantu memahami caranya air berfungsi pada skala nano, tetapi juga mencadangkan bahawa “pengurungan nano” boleh menjadi laluan baharu untuk mencari gelagat superionik bahan lain.


Meramalkan fasa baharu ais superionik


Maklumat lanjut:
Angelos Michaelides, Rajah fasa prinsip pertama air terkurung nano lapisan tunggal, alam semula jadi (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x. www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x

Disediakan oleh
Universiti Cambridge


Petikan: Fasa baharu air dikesan (2022, 14 September) diperoleh 14 September 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We want to thank the author of this short article for this incredible web content

Fasa baharu air dikesan


You can view our social media profiles here as well as other related pages herehttps://paw6.info/related-pages/