Suyun yeni aşamaları tespit edildi

su

Kredi: Pixabay/CC0 Kamu Malı

Cambridge Üniversitesi’ndeki bilim adamları, tek moleküllü bir katmandaki suyun ne sıvı ne de katı gibi davrandığını ve yüksek basınçlarda oldukça iletken hale geldiğini keşfettiler.

“Dökme suyun” nasıl davrandığı hakkında çok şey bilinmektedir: donduğunda genişler ve yüksek bir kaynama noktasına sahiptir. Ancak su nano ölçekte sıkıştırıldığında, özellikleri önemli ölçüde değişir.

Araştırmacılar, bu olağandışı davranışı benzeri görülmemiş bir doğrulukla tahmin etmenin yeni bir yolunu geliştirerek, moleküler düzeyde birkaç yeni su fazı tespit ettiler.

Zarlar arasında veya küçük nano ölçekli boşluklarda sıkışan su yaygındır – vücudumuzdaki zarlardan jeolojik oluşumlara kadar her şeyde bulunabilir. Ancak bu nano-kapalı su, içtiğimiz sudan çok farklı davranır.

Şimdiye kadar, nano ölçekte suyun fazlarını deneysel olarak karakterize etmenin zorlukları, davranışının tam olarak anlaşılmasını engelledi. Ama dergide yayınlanan bir makalede DoğaCambridge liderliğindeki ekip, tek molekül kalınlığındaki bir su tabakasının faz diyagramını benzeri görülmemiş bir doğrulukla tahmin etmek için hesaplama yaklaşımlarındaki gelişmeleri nasıl kullandıklarını anlatıyor.

Tek bir su tabakasının birinci prensip düzeyinde araştırılmasını sağlamak için hesaplama yaklaşımlarının bir kombinasyonunu kullandılar.

Araştırmacılar, tek moleküllü kalın bir tabakaya hapsedilen suyun, bir “hekzatik” faz ve bir “süperiyonik” faz dahil olmak üzere birkaç aşamadan geçtiğini buldular. Altıgen fazda su ne katı ne de sıvı gibi davranır, ancak arada bir şey gibi davranır. Daha yüksek basınçlarda meydana gelen süperiyonik fazda, su oldukça iletken hale gelir ve bir iletkendeki elektron akışına benzer şekilde protonları hızla buzun içinden iter.






RevPBE0-D3 teori seviyesinde açık karbon atomlarının varlığında 1.00 GPa ve 340 K durum noktasına karşılık gelen hekzatik fazın ilk prensip simülasyonu. Kredi: Doğa (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

Suyun davranışını nano ölçekte anlamak birçok yeni teknoloji için kritik öneme sahiptir. Tıbbi tedavilerin başarısı, vücudumuzdaki küçük boşluklarda sıkışan suyun nasıl tepki vereceğine bağlı olabilir. Piller için son derece iletken elektrolitlerin geliştirilmesi, suyun tuzdan arındırılması ve sıvıların sürtünmesiz taşınması, kapalı suyun nasıl davranacağını tahmin etmeye bağlıdır.






4.00 GPa ve 600 K durum noktasına karşılık gelen süperiyonik fazın birinci prensip simülasyonu, teorinin revPBE0-D3 seviyesinde açık karbon atomlarının varlığında. 10 ps zaman ölçeğinde ayrışmayı gözlemlerken, protonun karbon atomlarıyla herhangi bir reaktivitesini görmüyoruz. Kredi: Doğa (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

Gazetenin ilk yazarı Cambridge Yusuf Hamied Kimya Bölümü’nden Dr. Venkat Kapil, “Tüm bu alanlar için suyun davranışını anlamak temel sorudur” dedi. “Yaklaşımımız, grafen benzeri bir kanalda tek bir su tabakasının benzeri görülmemiş bir tahmin doğruluğu ile çalışmasına izin veriyor.”

Araştırmacılar, nanokanal içindeki tek molekül kalınlığındaki su tabakasının zengin ve çeşitli faz davranışı gösterdiğini buldular. Yaklaşımları, altıgen fazı (katı ile sıvı arasında bir ara madde) ve ayrıca suyun yüksek elektrik iletkenliğine sahip olduğu süperiyonik fazı içeren birkaç fazı tahmin eder.

Kapil, “Hekzatik faz ne katı ne de sıvıdır, ancak iki boyutlu malzemelerle ilgili önceki teorilerle aynı fikirde olan bir ara maddedir” dedi. “Bizim yaklaşımımız, bu fazın, suyu bir grafen kanalına hapsederek deneysel olarak görülebileceğini de öne sürüyor.

“Süperiyonik fazın kolayca erişilebilir koşullarda varlığı tuhaftır, çünkü bu faz genellikle Uranüs ve Neptün’ün çekirdeği gibi aşırı koşullarda bulunur. Bu fazı görselleştirmenin bir yolu, oksijen atomlarının katı bir kafes oluşturması ve protonların akmasıdır. kafesten geçen bir sıvı gibi, labirentte koşan çocuklar gibi.”

Araştırmacılar, bu süper iyonik fazın, mevcut pil malzemelerinden 100 ila 1000 kat daha yüksek bir elektrik iletkenliği gösterdiği için gelecekteki elektrolit ve pil malzemeleri için önemli olabileceğini söylüyor.

Sonuçlar, yalnızca suyun nano ölçekte nasıl çalıştığını anlamaya yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda “nano-kapalılığın” diğer malzemelerin süperiyonik davranışlarını bulmak için yeni bir yol olabileceğini öne sürecek.


Süper iyonik buzun yeni bir aşamasını tahmin etmek


Daha fazla bilgi:
Angelos Michaelides, Tek tabakalı nano-sınırlı suyun ilk prensipleri faz diyagramı, Doğa (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x. www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x

Cambridge Üniversitesi tarafından sağlanan

Alıntı: Suyun yeni evreleri tespit edildi (2022, 14 Eylül), https://phys.org/news/2022-09-phases.html adresinden 14 Eylül 2022 alındı.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.

Leave a Comment