Выявлены новые фазы воды

Кредит: Pixabay/CC0 общественное достояние

Ученые из Кембриджского университета обнаружили, что вода в одном молекулярном слое не ведет себя ни как жидкость, ни как твердое тело, и что она становится очень проводящей при высоких давлениях.


Многое известно о поведении «объемной воды»: она расширяется при замерзании и имеет высокую температуру кипения. Но когда вода сжимается до наноразмеров, ее свойства резко меняются.

Разработав новый метод предсказания этого необычного поведения с беспрецедентной точностью, исследователи обнаружили несколько новых фаз воды на молекулярном уровне.

Вода, запертая между мембранами или в крошечных нанополостях, является обычным явлением — ее можно найти во всем, от мембран в наших телах до геологических образований. Но эта наноформованная вода ведет себя совсем иначе, чем вода, которую мы пьем.

На сегодняшний день проблемы экспериментальной характеристики водных фаз в наномасштабе не позволяют полностью понять их поведение. Но в статье, опубликованной в журнале вспыльчивый характер Команда под руководством Кембриджа описывает, как они использовали разработки в вычислительные подходы Предсказать фазовую диаграмму толстого слоя одиночной молекулы воды с беспрецедентной точностью.

Они использовали ряд вычислительных методов, чтобы обеспечить достижение уровня первых принципов для одного слоя воды.

Исследователи обнаружили, что вода, ограниченная толстым слоем одной молекулы, проходит через несколько фаз, включая «гексагональную» фазу и «супраионную» фазу. В гексагональной фазе вода действует не как твердое тело и не как жидкость, а как нечто среднее. В супраионной фазе, которая возникает при более высоких давлениях, вода становится очень проводящей, быстро проталкивая протоны сквозь лед подобно потоку электронов в проводнике.

Моделирование из первых принципов гексагональной фазы, соответствующей точке состояния 1,00 ГПа и 340 К, в присутствии явных атомов углерода на уровне теории revPBE0-D3. ему приписывается: вспыльчивый характер (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05036-х

Понимание поведения воды в наномасштабе имеет решающее значение для многих новых технологий. Успех лечения может зависеть от того, как взаимодействует вода, попавшая в небольшие полости в нашем теле. Разработка электролитов с высокой проводимостью для аккумуляторов, опреснения воды и транспортировки жидкости без трения зависит от прогнозирования поведения замкнутой воды.

Моделирование из первых принципов суперионной фазы, соответствующей точке состояния 4,00 ГПа и 600 К, в присутствии явных атомов углерода на теоретическом уровне revPBE0-D3. Хотя мы наблюдаем диссоциацию в масштабе времени 10 пс, мы не видим никакого взаимодействия протона с атомами углерода. ему приписывается: вспыльчивый характер (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05036-х

«Для всех этих областей понимание поведения воды является ключевым вопросом», — сказал доктор Венкат Капил из Кембриджского химического факультета Юсуф Хамид, первый автор исследовательской работы. «Наш подход позволяет изучать один слой воды в графеноподобном канале с беспрецедентной точностью прогнозирования».

Исследователи обнаружили, что одна молекула толстый слой воды в наноканале имеет богатое и разнообразное фазовое поведение. Их подход предсказывает несколько фаз, в том числе гексагональную фазу — промежуточную фазу между твердым телом и жидкостью, а также суперионную фазу, в которой вода высокая электропроводность.

«Гексагональная фаза не является ни твердой, ни жидкой, а является промежуточным продуктом, что согласуется с предыдущими теориями о двумерных материалах», — сказал Капель. «Наш подход также предполагает, что эту фазу можно наблюдать экспериментально, удерживая воду в графеновом канале.

«Существование надионной фазы в легкодоступных условиях весьма своеобразно, так как эта фаза обычно находится в экстремальных условиях, таких как ядра Урана и Нептуна. Один из способов визуализировать эту фазу состоит в том, чтобы атомы кислорода Он образует твердую сетку, и протоны текут сквозь нее, как жидкость, как дети, бегущие по лабиринту».

Исследователи говорят, что эта суперионная фаза может быть важна для будущих электролитов и материалов для аккумуляторов, поскольку ее электропроводность в 100–1000 раз выше, чем у существующих материалов для аккумуляторов.

Результаты не только помогут понять, как это сделать Вода Он работает в наномасштабе, но также предполагает, что «нано-встраивание» может быть новым способом обнаружения сверхспирального поведения ионов для других материалов.


Прогнозирование новой фазы суперионизированного льда


Дополнительная информация:
Ангелос Михаэлидис, Основные принципы фазовой диаграммы сверхтонкой монокристаллической воды, вспыльчивый характер (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05036-х. www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x

цитата: New Phases of Water Discovery (14 сентября 2022 г.). Получено 14 сентября 2022 г. с https://phys.org/news/2022-09-phases.html.

Этот документ защищен авторским правом. Несмотря на любые добросовестные отношения с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

READ  Светящиеся останки взорвавшейся звезды

Olga Dmitrieva

Любитель алкоголя. Возмутитель спокойствия. Интроверт. Студент. Любитель социальных сетей. Веб-ниндзя. Поклонник Бэкона. Читатель

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Наверх