Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι η χημεία του νερού όταν συμπιέζεται σε χώρους νανοκλίμακας είναι πιο σύνθετη από ό,τι πιστευόταν, επιλύοντας αντιφατικά αποτελέσματα ετών.
- Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αυξημένη αντιδραστικότητα του νανοεγκλωβισμένου νερού προέρχεται κυρίως από την ίδια την πίεση και όχι από τον εγκλωβισμό από μόνον του.
- Το περιβάλλον υλικό μπορεί να επηρεάσει ενεργά τη χημική συμπεριφορά του νερού, με τα ευρήματα να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για τεχνολογίες όπως οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου και οι μπαταρίες.
Το νερό έχει μελετηθεί περισσότερο από σχεδόν οποιαδήποτε άλλη ουσία, ωστόσο οι επιστήμονες συζητούν εδώ και καιρό ένα παραδόξως απλό ερώτημα: Τι συμβαίνει στη χημεία του όταν συμπιέζεται σε χώρους με πλάτος μόλις λίγων μορίων;
Αυτοί οι μικροσκοπικοί χώροι υπάρχουν παντού στη φύση και την τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένων των πόρων νανοκλίμακας, των μεμβρανών και των βιολογικών διαύλων.
Μια νέα μελέτη διαπίστωσε τώρα ότι η απάντηση είναι πιο σύνθετη από ό,τι πίστευαν κάποτε οι ερευνητές, βοηθώντας στην επίλυση αντιφατικών αποτελεσμάτων ετών.
Γιατί έχει σημασία η διάσπαση του νερού
Μία από τις καθοριστικές χημικές ιδιότητες του νερού είναι η ικανότητά του να διασπάται σε δύο φορτισμένα σωματίδια: Το H3O+ (ιόν υδροξωνίου) και το OH- (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 οξέων-βάσεων. Επηρεάζει τα πάντα, από τα ένζυμα που κρατούν τα κύτταρά σας σε λειτουργία μέχρι τις αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό των μπαταριών.
Οι επιστήμονες ήθελαν να προσδιορίσουν αν ο εγκλωβισμός του νερού σε χώρους με εύρος μόλις λίγων δισεκατομμυριοστών του μέτρου αλλάζει την ευκολία με την οποία συμβαίνει αυτή η διάσπαση.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science Advances, υποδηλώνουν ότι η φαινομενική χημική αντιδραστικότητα του νανοεγκλωβισμένου νερού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως η πυκνότητα, το μέγεθος των πόρων, η ευκαμψία των τοιχωμάτων και η χημεία της επιφάνειας.
«Όταν συγκρίναμε συστήματα υπό ισοδύναμες θερμοδυναμικές συνθήκες –συγκεκριμένα με το ίδιο χημικό δυναμικό (το μέγεθος που καθορίζει εάν προχωρά μια αντίδραση)– η επίδραση του εγκλωβισμού σε μεγάλο βαθμό εξαφανίστηκε. Με άλλα λόγια, ο εγκλωβισμός από μόνος του δεν αλλάζει εγγενώς την αντιδραστικότητα του νερού. Αυτό εξηγεί γιατί τα πειράματα κατά την τελευταία δεκαετία είχαν οδηγήσει σε αντιφατικά αποτελέσματα», δήλωσε ο Xavier R. Advincula, κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Οι αντιφάσεις στη βιβλιογραφία οφείλονταν σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι οι επιστήμονες συνέκριναν συστήματα υπό διαφορετικές πραγματικές πιέσεις ή πυκνότητες, χωρίς να το συνειδητοποιούν».
Η μηχανική μάθηση αποκαλύπτει το κομμάτι που έλειπε
Για να διερευνήσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές βασίστηκαν σε προσομοιώσεις μηχανικής μάθησης, οι οποίες αναπαράγουν την ακρίβεια της κβαντομηχανικής, επιτρέποντάς τους παράλληλα να μελετήσουν ένα πολύ ευρύτερο φάσμα συνθηκών σε σύγκριση με τις παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους.
Η ομάδα εξέτασε νερό παγιδευμένο ανάμεσα σε φύλλα γραφενίου και εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (hBN). Αν και τα δύο υλικά έχουν πάχος μόλις ενός ατόμου και μοιράζονται παρόμοια δομή, η χημεία της επιφάνειάς τους είναι πολύ διαφορετική.
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν επίσης ότι τα σταγονίδια νερού που εγκλωβίζονται ανάμεσα σε αυτά τα υλικά υφίστανται εξαιρετικά υψηλές εσωτερικές πιέσεις.
Το νερό που παγιδεύεται ανάμεσα σε φύλλα γραφενίου ή hBN μπορεί να φτάσει σε πιέσεις αρκετών γιγαπασκάλ (gigapascals) –παρόμοιες με εκείνες που συναντώνται βαθιά στο εσωτερικό της Γης– παρόλο που δεν ασκείται καμία εξωτερική δύναμη.
Αντίθετα, η πίεση αναπτύσσεται φυσικά λόγω της έλξης van der Waals ανάμεσα στα ατομικού πάχους στρώματα. Αν και η δύναμη μεταξύ μεμονωμένων ατόμων είναι ασθενής, γίνεται εξαιρετικά ισχυρή σε όλη τη μεγάλη επιφάνεια των δισδιάστατων υλικών, έλκοντας τα φύλλα μεταξύ τους και συμπιέζοντας το νερό που είναι παγιδευμένο ανάμεσά τους.
Η πίεση, και όχι ο εγκλωβισμός, οδηγεί την αντιδραστικότητα του νερού
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτές οι έντονες πιέσεις αυξάνουν σημαντικά τη διάσπαση των μορίων του νερού. Ωστόσο, όταν συνέκριναν το εγκλωβισμένο νερό με το κοινό, ελεύθερο νερό (bulk water) που εκτέθηκε στην ίδια πίεση, και τα δύο συμπεριφέρθηκαν ουσιαστικά με τον ίδιο τρόπο. Αυτό έδειξε ότι η αυξημένη αντιδραστικότητα προέρχεται κυρίως από την ίδια την πίεση και όχι από τον εγκλωβισμό από μόνον του.
«Αυτό που μας εξέπληξε περισσότερο ήταν το πόσο μεγάλο μέρος της φαινομενικής επίδρασης του εγκλωβισμού μπορούσε να εξηγηθεί από τη θερμοδυναμική. Μόλις ληφθούν σωστά υπόψη η πίεση και το χημικό δυναμικό, ένα μεγάλο μέρος της πολυπλοκότητας απλώς ξεκαθαρίζει», δήλωσε ο καθηγητής Άγγελος Μιχαηλίδης (Angelos Michaelides), από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ.
Η χημεία της επιφάνειας εξακολουθεί να παίζει σημαντικό ρόλο
Αν και η απλή συμπίεση του νερού σε μικροσκοπικούς χώρους δεν το καθιστά από μόνη της πιο αντιδραστικό, το περιβάλλον υλικό μπορεί παρ’ όλα αυτά να επηρεάσει τη χημεία του. Σε σταγονίδια νερού που εγκλωβίστηκαν από εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN), τα ιόντα υδροξειδίου (OH-) που σχηματίστηκαν γύρω από τις άκρες συνδέθηκαν χημικά με το περιβάλλον υλικό.
Αυτό σταθεροποίησε τα ιόντα, μείωσε την ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του νερού και αύξησε τον βαθμό της διάστασης. Το ίδιο φαινόμενο δεν παρατηρήθηκε με το γραφένιο, επειδή η χημικά αδρανής επιφάνειά του δεν συμμετέχει στην αντίδραση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το υλικό που περιβάλλει το εγκλωβισμένο νερό μπορεί να διαμορφώσει ενεργά τη χημική του συμπεριφορά.
«Αυτή η έρευνα παρέχει ένα νέο πλαίσιο για την κατανόηση της χημείας του νερού στη νανοκλίμακα και βοηθά στη γεφύρωση των αντιφάσεων που παρουσίαζαν διάφορες μελέτες την τελευταία δεκαετία», δήλωσε ο Δρ. Christoph Schran, από την Ομάδα Θεωρίας Συμπυκνωμένης Ύλης του Εργαστηρίου Cavendish.
«Το πιο σημαντικό είναι ότι αυτή η εργασία προσφέρει μια πρακτική σχεδιαστική αρχή για τη μηχανική χημικών περιβαλλόντων σε νανοκλίμακα. Αντί να εστιάζουμε αποκλειστικά στο μέγεθος των πόρων ή των διαύλων, μπορούμε να προσαρμόζουμε την αντιδραστικότητα του νερού επιλέγοντας ένα υλικό εγκλωβισμού του οποίου οι επιφάνειες αλληλεπιδρούν με τα προϊόντα της διάστασης του νερού, καθώς και ελέγχοντας τις πιέσεις που δημιουργούνται στους περιορισμένους αυτούς χώρους».
Πιθανές εφαρμογές στην τεχνολογία της ενέργειας
Τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για τεχνολογίες που βασίζονται στο εγκλωβισμένο νερό, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου υδρογόνου, των μπαταριών, των μεμβρανών επιλεκτικών ιόντων και των καταλυτικών συστημάτων.
Περιβάλλοντα που περιλαμβάνουν ατέλειες και ακμές, τα οποία συναντώνται συχνά στα υλικά πρακτικής εφαρμογής. Ελπίζουν επίσης να συγκρίνουν τις προβλέψεις τους με εργαστηριακές μετρήσεις, χρησιμοποιώντας προηγμένες φασματοσκοπικές και νανορευστομηχανικές τεχνικές.
Παράλληλα, η ομάδα εξετάζει μεγάλες οικογένειες δισδιάστατων υλικών και χημικών επιφανειών για να εντοπίσει συνδυασμούς που μπορούν είτε να ενισχύσουν είτε να καταστείλουν την αντιδραστικότητα του νερού για συγκεκριμένες τεχνολογικές εφαρμογές.