تم اكتشاف مراحل جديدة من الماء

اكتشف العلماء في جامعة كامبريدج أن الماء في الطبقة الجزيئية لا يتصرف كسائل ولا كصلب ، كما أنه موصّل بدرجة عالية عند ضغوط عالية.

يُعرف الكثير عن سلوك “الماء السائب”: يتمدد عندما يتجمد ، وله نقطة غليان عالية. ولكن عندما يتم ضغط الماء إلى المقياس النانوي ، تتغير خصائصه بشكل كبير.

من خلال تطوير طريقة جديدة للتنبؤ بهذا السلوك غير العادي بدقة غير مسبوقة ، اكتشف الباحثون عدة مراحل جديدة من الماء على المستوى الجزيئي.

الماء المحاصر بين الأغشية أو في المسام النانوية الصغيرة شائع – يوجد في كل شيء من الأغشية في أجسامنا إلى التكوينات الجيولوجية. لكن هذا الماء الذي يتحكم فيه النانو يسلك سلوكًا مختلفًا تمامًا عن الماء الذي نشربه.

حتى الآن ، منعت التحديات في التوصيف التجريبي لمراحل المياه النانوية الفهم الكامل لسلوكها. لكن في ورقة نشرت في المجلة طبيعة سجيةيصف الفريق بقيادة كامبريدج كيف استخدموا الاختراقات المناهج الحسابية للتنبؤ بمخطط الطور لماء كثيف جزيئيًا بدقة غير مسبوقة.

استخدموا مجموعة من الأساليب الحسابية لتمكين تحقيق المبادئ الأولية لطبقة أحادية من الماء.

وجد الباحثون أن الماء المحصور في طبقة بسماكة جزيء واحد يمر بعدة مراحل ، بما في ذلك طور “سداسي” وطور “فوق أيوني”. في المرحلة السداسية ، لا يتصرف الماء كمادة صلبة ولا سائلة ، بل يتصرف كشيء بينهما. في المرحلة فوق الأيونية ، التي تحدث عند ضغوط أعلى ، يصبح الماء عالي التوصيل ، ويوجه البروتونات بسرعة عبر الجليد بطريقة مماثلة لتدفق الإلكترونات في الموصل.

يعد فهم سلوك الماء على المستوى النانوي أمرًا بالغ الأهمية للعديد من التقنيات الجديدة. يعتمد نجاح العلاج الطبي على كيفية عمل الماء المحبوس في التجاويف الصغيرة في أجسامنا. يعتمد تطوير إلكتروليتات عالية التوصيل للبطاريات وتحلية المياه ونقل السوائل بدون احتكاك على التنبؤ بكيفية تصرف المياه المحصورة.

قال الدكتور فينكات كابيل من قسم الكيمياء يوسف حامد في كامبريدج: “بالنسبة لجميع هذه المجالات ، فإن السؤال الأساسي هو فهم سلوك الماء”. “نهجنا يسمح لنا بسبر طبقة واحدة من الماء في قناة تشبه الجرافين بدقة تنبؤية غير مسبوقة.”

وجد الباحثون أن الجزيء طبقة سميكة أظهر الماء في القناة النانوية سلوك طور غني وغير متجانس. يتنبأ نهجهم بمراحل متعددة ، بما في ذلك المرحلة السداسية – الوسيطة بين المادة الصلبة والسائلة – والمرحلة فوق الأيونية التي تحتوي على الماء. الموصلية الكهربائية العالية.

قال كابيل: “المرحلة السداسية ليست صلبة ولا سائلة ، لكنها وسيطة ، وهو ما يتوافق مع النظريات السابقة حول المواد ثنائية الأبعاد”. “يقترح نهجنا أيضًا أنه يمكن ملاحظة هذه المرحلة بشكل تجريبي عن طريق حصر الماء في قناة الجرافين.

“من الغريب أن توجد المرحلة فوق الأيونية في مثل هذه المواقف التي يسهل الوصول إليها ، حيث توجد هذه المرحلة عادةً في الحالات المتطرفة مثل أورانوس ونبتون. إحدى الطرق لتصور هذه المرحلة هي ذرات الأكسجين تشكل شبكة صلبة ، وتتدفق البروتونات عبر الشبكة مثل سائل ، مثل الأطفال الذين يركضون في متاهة “.

يقول الباحثون إن هذه المرحلة الفائقة الأيونية يمكن أن تكون مهمة لمواد الإلكتروليت والبطاريات في المستقبل لأنها تُظهر موصلية كهربائية أعلى بما يتراوح بين 100 إلى 1000 مرة من مواد البطاريات الحالية.

النتائج لا تساعد فقط على فهم كيف ماء يعمل بالمقياس النانوي ، ولكنه يقترح أيضًا أن “التضمين النانوي” قد يكون طريقًا جديدًا لاكتشاف السلوك الفائق للأيونات للمواد الأخرى.