Το νερό έχει μελετηθεί περισσότερο από σχεδόν οποιαδήποτε άλλη ουσία, ωστόσο οι επιστήμονες έχουν συζητήσει εδώ και καιρό ένα εκπληκτικά απλό ερώτημα: Τι συμβαίνει στη χημεία του όταν συμπιέζεται σε χώρους πλάτους μόλις λίγων μορίων;
Αυτοί οι μικροσκοπικοί χώροι υπάρχουν σε όλη τη φύση και την τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένων των πόρων, των μεμβρανών και των βιολογικών καναλιών νανοκλίμακας. Μια νέα μελέτη διαπιστώνει τώρα ότι η απάντηση είναι πιο διαφοροποιημένη από ό,τι πίστευαν κάποτε οι ερευνητές, βοηθώντας στην επίλυση αντικρουόμενων αποτελεσμάτων ετών.
Γιατί η λεκάνη απορροής έχει σημασία
Μία από τις καθοριστικές χημικές ιδιότητες του νερού είναι η ικανότητά του να διασπάται σε δύο φορτισμένα σωματίδια: H3Και+ (ιόν υδρονίου) και ΟΗ– (ιόν υδροξειδίου). Αυτή η διαδικασία καθορίζει το pH, το οποίο μετρά πόσο όξινο ή αλκαλικό (βασικό) είναι ένα διάλυμα, και παίζει κεντρικό ρόλο στη χημεία οξέος-βάσης. Επηρεάζει τα πάντα, από τα ένζυμα που διατηρούν τη λειτουργία των κυττάρων σας έως τις αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στην μπαταρία.
Οι επιστήμονες ήθελαν να προσδιορίσουν πώς ο περιορισμός του νερού σε ένα χώρο μεγέθους μόλις ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου αλλάζει πόσο εύκολα συμβαίνει αυτός ο διαχωρισμός.
Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν Η επιστήμη προχωράπροτείνει ότι η φαινομενική χημική αντιδραστικότητα του νανοπεριορισμένου νερού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως η συγκέντρωση, το μέγεθος των πόρων, η ευκαμψία του τοιχώματος και η χημεία της επιφάνειας.
“Όταν συγκρίνουμε συστήματα υπό ισοδύναμες θερμοδυναμικές συνθήκες — συγκεκριμένα το ίδιο χημικό δυναμικό (η ποσότητα που καθορίζει εάν μια αντίδραση θα εξελιχθεί ή όχι), το φαινόμενο περιορισμού εξαφανίζεται σε μεγάλο βαθμό. Με άλλα λόγια, ο περιορισμός από μόνος του δεν αλλάζει εγγενώς την αντιδραστικότητα του νερού. Αυτό εξηγεί γιατί τα πειράματα της περασμένης δεκαετίας έχουν δώσει αντιφατικά ερευνητικά αποτελέσματα”, λέει ο συγγραφέας Edwin.
«Οι συγκρούσεις στη βιβλιογραφία οφείλονταν σε μεγάλο βαθμό επειδή οι επιστήμονες συνέκριναν συστήματα σε διαφορετικές αποτελεσματικές πιέσεις ή συγκεντρώσεις χωρίς να το καταλάβουν».
Η μηχανική μάθηση αποκαλύπτει τα κομμάτια που λείπουν
Για να διερευνήσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές βασίστηκαν σε προσομοιώσεις μηχανικής μάθησης που αναπαράγουν την κβαντομηχανική ακρίβεια, ενώ τους επιτρέπουν να μελετήσουν ένα πολύ ευρύτερο φάσμα καταστάσεων από τις παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους.
Η ομάδα εξέτασε νερό παγιδευμένο ανάμεσα σε φύλλα γραφενίου και εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (HBN). Αν και και τα δύο υλικά έχουν πάχος μόνο ενός ατόμου και μοιράζονται παρόμοιες δομές, η χημεία της επιφάνειάς τους είναι πολύ διαφορετική.
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν επίσης ότι τα σταγονίδια νερού που περιορίζονται σε αυτά τα υλικά υφίστανται εξαιρετικά υψηλές εσωτερικές πιέσεις. Το νερό που παγιδεύεται ανάμεσα σε φύλλα γραφενίου ή HBN μπορεί να φτάσει σε πιέσεις μερικών γιγαπασκάλ παρόμοιων με εκείνες που βρίσκονται βαθιά στη Γη, ακόμη και όταν δεν ασκείται εξωτερική δύναμη.
Αντίθετα, το στρες αναπτύσσεται φυσικά λόγω της έλξης του van der Waals μεταξύ ατομικά λεπτών στρωμάτων. Ενώ η δύναμη μεταξύ των μεμονωμένων ατόμων είναι ασθενής, γίνεται σημαντικά ισχυρότερη σε όλη τη μεγάλη επιφάνεια του δισδιάστατου υλικού, τραβώντας τα φύλλα μαζί και συμπιέζοντας το νερό που έχει παγιδευτεί ανάμεσά τους.
Η πίεση, όχι ο περιορισμός, οδηγεί την αντίδραση του νερού
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αυτές οι έντονες πιέσεις αυξάνουν σημαντικά τη διάσπαση των μορίων του νερού.
Ωστόσο, όταν συνέκριναν το περιορισμένο νερό με το κανονικό χύμα νερό που εκτίθεται στην ίδια πίεση, και τα δύο συμπεριφέρθηκαν ουσιαστικά με την ίδια συμπεριφορά. Αυτό έδειξε ότι η αυξημένη ανταπόκριση προέρχεται από το άγχος και όχι μόνο από τον περιορισμό.
«Αυτό που μας εξέπληξε περισσότερο ήταν πόσο θα μπορούσε να εξηγηθεί η φαινομενική επίδραση του περιορισμού με τη θερμοδυναμική», δήλωσε ο Άγγελος Μιχαηλίδης, Yusuf Hamid Καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. «Όταν η πίεση και το χημικό δυναμικό υπολογιστούν σωστά, μεγάλο μέρος της πολυπλοκότητας γίνεται απλό».
Η επιφανειακή χημεία εξακολουθεί να παίζει σημαντικό ρόλο
Αν και η απλή συμπίεση του νερού σε μια μικρή περιοχή δεν το καθιστά εγγενώς πιο αντιδραστικό, τα γύρω στοιχεία μπορούν ακόμα να επηρεάσουν τη χημεία του.
HBN, ιόν υδροξειδίου (ΟΗ– ) που σχηματίζονται γύρω από άκρες που συνδέονται χημικά με το περιβάλλον υλικό. Αυτό σταθεροποιεί τα ιόντα, μειώνοντας την ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του νερού και αυξάνοντας την ποσότητα διάστασης.
Το ίδιο αποτέλεσμα δεν παρατηρήθηκε με το γραφένιο επειδή η χημικά αδρανής επιφάνειά του δεν συμμετέχει στην αντίδραση.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το περιβάλλον υλικό του δεσμευμένου νερού μπορεί να διαμορφώσει ενεργά τη χημική του συμπεριφορά.
“Αυτή η έρευνα παρέχει ένα νέο πλαίσιο για την κατανόηση της χημείας του νερού σε νανοκλίμακα και βοηθά στη συμφιλίωση μιας δεκαετίας φαινομενικά αντικρουόμενων μελετών”, δήλωσε ο Δρ Christoph Schran της Ομάδας Θεωρίας Συμπυκνωμένης ύλης του Εργαστηρίου Cavendish.
“Το πιο σημαντικό, η εργασία παρέχει μια πρακτική αρχή σχεδιασμού για μηχανικά χημικά περιβάλλοντα νανοκλίμακας. Αντί να εστιάζουμε μόνο στο μέγεθος πόρων ή καναλιού, μπορούμε να δημιουργήσουμε αντιδραστικότητα νερού επιλέγοντας ένα υλικό περιορισμού του οποίου οι επιφάνειες αλληλεπιδρούν με τα προϊόντα διάστασης του νερού και ελέγχουν την πίεση που παράγεται στους περιορισμένους χώρους.”
Δυνητικές εφαρμογές στην ενεργειακή τεχνολογία
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για τεχνολογίες που βασίζονται σε περιορισμένο νερό, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου υδρογόνου, των μπαταριών, των επιλεκτικών ιόντων μεμβρανών και των καταλυτικών συστημάτων.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές σχεδιάζουν να μελετήσουν πιο ρεαλιστικά περιβάλλοντα που περιλαμβάνουν ελαττώματα και άκρες που βρίσκονται συνήθως σε πρακτικά υλικά. Ελπίζουν να συγκρίνουν τις προβλέψεις τους με εργαστηριακές μετρήσεις χρησιμοποιώντας προηγμένες φασματοσκοπικές και νανορευστικές τεχνικές.
Ταυτόχρονα, η ομάδα εξετάζει μεγάλες οικογένειες δισδιάστατων υλικών και χημικών επιφανειών για να εντοπίσει ενώσεις που μπορούν να ενισχύσουν ή να καταστείλουν την αντιδραστικότητα του νερού για συγκεκριμένες τεχνολογικές εφαρμογές.
