الماء المكون من النانو

تم الكشف عن مراحل جديدة من الماء

اكتشف العلماء في جامعة كامبريدج أن الماء في طبقة الجزيء الواحد لا يعمل كسائل أو مادة صلبة ، وأنه يصبح عالي التوصيل عند ضغوط عالية

يعرف 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 تجاويف نانوية متناهية الصغر شائع – يمكن العثور عليه في كل شيء من الأغشية في أجسامنا إلى التكوينات الجيولوجية. لكن هذا الماء المكون من النانو يسلك سلوكا مختلفا تماما عن الماء الذي نشربه

حتى الآن ، حالت تحديات التوصيف التجريبي لمراحل الماء على المقياس النانوي دون فهم كامل لسلوكه. لكن في ورقة بحثية نشرت في مجلة الطبيعة ( نايتر ) ، وصف الفريق بقيادة كامبريدج كيف استخدموا التطورات في الأساليب الحسابية للتنبؤ بمخطط الطور لطبقة سميكة من جزيء واحد من الماء بدقة غير مسبوقة

استخدموا مجموعة من الأساليب الحسابية لتمكين تحقيق مستوى المبادئ الأول لطبقة واحدة من الماء

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

يعد فهم سلوك الماء على المستوى النانوي أمرا بالغ الأهمية للعديد من التقنيات الجديدة. يمكن أن يعتمد نجاح العلاجات الطبية على كيفية تفاعل الماء المحبوس في تجاويف صغيرة في أجسامنا. يعتمد تطوير الإلكتروليتات عالية التوصيل للبطاريات وتحلية المياه ونقل السوائل بدون احتكاك على التنبؤ بكيفية تصرف المياه المحصورة

قال الدكتور فينكات كابيل من قسم الكيمياء يوسف حميد في كامبريدج ، المؤلف الأول للورقة البحثية: بالنسبة لجميع هذه المجالات ، فإن فهم سلوك الماء هو السؤال الأساسي. يسمح نهجنا بدراسة طبقة واحدة من الماء في الجرافين. تشبه القناة بدقة تنبؤية غير مسبوقة

وجد الباحثون أن الطبقة السميكة من جزيء واحد من الماء داخل القناة النانوية أظهرت سلوك طور غني ومتنوع. يتنبأ نهجهم بعدة مراحل تشمل المرحلة السداسية – وهي مرحلة وسيطة بين مادة صلبة وسائلة – وأيضا مرحلة فائقة الأيونية ، حيث يكون للماء موصلية كهربائية عالية

قال كابيل إن المرحلة السداسية ليست صلبة ولا سائلة ، ولكنها مرحلة وسيطة ، والتي تتفق مع النظريات السابقة حول المواد ثنائية الأبعاد. ويقترح نهجنا أيضا أنه يمكن رؤية هذه المرحلة تجريبيا عن طريق حصر الماء في قناة الجرافين

إن وجود المرحلة فوق الأيونية في ظروف يسهل الوصول إليها أمر غريب ، حيث توجد هذه المرحلة عموما في الظروف القاسية مثل جوهر أوراينوس ونبتون. إحدى الطرق لتصور هذه المرحلة هي أن ذرات الأكسجين تشكل شبكة صلبة ، وتتدفق البروتونات مثل السائل عبر الشبكة ، مثل الأطفال الذين يركضون في متاهة

يقول الباحثون إن هذه المرحلة الفائقة الأيونية يمكن أن تكون مهمة لمواد الإلكتروليت والبطارية في المستقبل لأنها تظهر موصلية كهربائية أعلى بمقدار 100 إلى 1000 مرة من مواد البطارية الحالية

لن تساعد النتائج في فهم كيفية عمل الماء على المقياس النانوي فحسب ، بل تشير أيضا إلى أن “التضمين النانوي” الذي يمكن أن يكون طريقا جديدا لإيجاد السلوك الفائق لمواد أخرى

About the author

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *