เมื่อน้ำถูกขังอยู่ในโพรงแคบๆ ระดับนาโน น้ำจะเข้าสู่เฟสขั้นกลางที่ไม่ใช่ของแข็งหรือของเหลว แต่อยู่ตรงกลางระหว่างนั้น นี่คือการค้นพบของทีมนักวิจัยนานาชาติที่ใช้สถิติฟิสิกส์ กลศาสตร์ควอนตัม และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อศึกษาว่าคุณสมบัติของน้ำเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อถูกกักขังในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนี้ จากการวิเคราะห์แผนภาพเฟสความดัน-อุณหภูมิของน้ำกักขังระดับนาโนตามที่ทราบกัน ทีมวิจัยพบว่าน้ำดังกล่าวมีเฟส “เฮกซาติก” ระดับกลางและยังมีความนำไฟฟ้าสูงอีกด้วย
คุณสมบัติของน้ำในระดับนาโนอาจแตกต่างจากที่เราเชื่อมโยง
กับน้ำปริมาณมาก ท่ามกลางคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่นๆ น้ำระดับนาโนมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำผิดปกติ ไหลแทบไม่มีแรงเสียดทาน และสามารถดำรงอยู่ได้ในเฟสน้ำแข็งสี่เหลี่ยม
การศึกษาน้ำกักเก็บระดับนาโนมีประโยชน์ในการใช้งานจริงที่สำคัญ น้ำส่วนใหญ่ในร่างกายของเราถูกกักขังอยู่ในโพรงแคบๆ เช่น ช่องว่างภายในเซลล์ ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และในเส้นเลือดฝอยขนาดเล็ก หัวหน้าทีมVenkat Kapilนักเคมีเชิงทฤษฎีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุแห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักรกล่าว เช่นเดียวกับน้ำที่ขังอยู่ในหินหรือขังอยู่ในคอนกรีต ดังนั้นการทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำนี้จึงอาจเป็นศูนย์กลางของชีววิทยา วิศวกรรมศาสตร์ และธรณีวิทยา นอกจากนี้ยังอาจมีความสำคัญต่อการพัฒนาอุปกรณ์นาโนที่เป็นน้ำในอนาคต และสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น นาโนฟลูอิดิกส์ วัสดุอิเล็กโทรไลต์ และการแยกเกลือออกจากน้ำ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ประดิษฐ์เส้นเลือดฝอยที่ไม่ชอบน้ำด้วยขนาดนาโน สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถวัดคุณสมบัติของน้ำเมื่อผ่านช่องทางที่แคบมากจนโมเลกุลของน้ำไม่มีพื้นที่เพียงพอที่จะแสดงรูปแบบพันธะไฮโดรเจนตามปกติ
ในงานล่าสุด Kapil และเพื่อนร่วมงานศึกษาน้ำที่ขังอยู่ระหว่างแผ่นกราฟีนสองแผ่น เพื่อให้ชั้นน้ำมีความหนาเพียงหนึ่งโมเลกุล โดยใช้การจำลองอะตอมซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อจำลองพฤติกรรมของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสทั้งหมดในระบบ พวกเขาคำนวณไดอะแกรมเฟสความดัน-อุณหภูมิของน้ำ แผนภาพนี้ซึ่งแสดงอุณหภูมิบนแกนหนึ่งและความดันอีกแกนหนึ่ง เผยให้เห็นเฟสของน้ำที่เสถียรที่สุดในสภาวะความดัน-อุณหภูมิที่กำหนด
“การจำลองเหล่านี้มักจะมีราคาแพงมากในการคำนวณ ดังนั้นเราจึง
รวมวิธีการอันล้ำสมัยมากมายที่อิงจากสถิติฟิสิกส์ กลศาสตร์ควอนตัม และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อลดค่าใช้จ่ายนี้” Kapil กล่าวกับPhysics World “การประหยัดการคำนวณเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถจำลองระบบอย่างเข้มงวดที่ความดันและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และประเมินเฟสที่เสถียรที่สุด”
นักวิจัยพบว่าน้ำชั้นเดียวมีพฤติกรรมของเฟสที่หลากหลายอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งมีความไวสูงต่ออุณหภูมิและความดันที่กระทำภายในช่องนาโน ในบางระบบจะแสดงเฟส “เฮกซาติก” ซึ่งเป็นช่วงกลางระหว่างของแข็งและของเหลวตามที่คาดการณ์ไว้โดยทฤษฎีที่เรียกว่า KTHNY ซึ่งอธิบายการหลอมละลายของคริสตัลในการกักเก็บแบบ 2 มิติ ทฤษฎีนี้ทำให้นักพัฒนาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2559 จากการพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมเฟสของของแข็ง 2 มิติ
นักวิจัยสังเกตว่าน้ำที่กักเก็บในระดับนาโนมีความนำไฟฟ้าสูง โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแบตเตอรี่ 10-1,000 เท่า พวกเขายังพบว่ามันไม่มีอยู่ในระยะโมเลกุล “อะตอมของไฮโดรเจนเริ่มเคลื่อนที่เกือบจะเหมือนของเหลวแม้ว่าจะมีตาข่ายออกซิเจน พูดเหมือนเด็ก ๆ ที่วิ่งผ่านเขาวงกต” คาพิลอธิบาย “ผลลัพธ์นี้น่าทึ่งมาก เนื่องจากเฟสซุปเปอร์ไอออนแบบ ‘ปริมาณมาก’ แบบเดิมนั้นคาดว่าจะมีความเสถียรในสภาวะที่รุนแรง เช่น ภายในของดาวเคราะห์ยักษ์เท่านั้น เราสามารถทำให้มันเสถียรได้ภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง
“ดูเหมือนว่าการจำกัดวัสดุในแบบ 2 มิติสามารถนำไปสู่คุณสมบัติที่น่าสนใจมากๆ หรือคุณสมบัติที่วัสดุจำนวนมากจะแสดงในสภาวะที่รุนแรงเท่านั้น” เขากล่าวต่อ “เราหวังว่าการศึกษาของเราจะช่วยเปิดเผยวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตาม เป้าหมายที่ใหญ่กว่าของเราคือการเข้าใจน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ภายใต้เงื่อนไขที่ซับซ้อนมาก เช่น ภายในร่างกายของเรา”
ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยจาก University College London, Università di Napoli Federico II, Peking University และ Tohoku University, Sendai หวังที่จะสังเกตขั้นตอนที่พวกเขาได้จำลองขึ้นในการทดลองในโลกแห่งความเป็นจริง “เรากำลังศึกษาวัสดุ 2 มิตินอกเหนือจากวัสดุที่มีลักษณะเหมือนกราฟีน เนื่องจากโดยหลักการแล้วระบบเหล่านี้สามารถสังเคราะห์และศึกษาในห้องปฏิบัติการได้” คาพิลเผย “จึงควรทำการเปรียบเทียบแบบตัวต่อตัวกับการทดลอง – ข้ามนิ้ว”
แนะนำ : รีวิวซีรี่ย์เกาหลี | ลายสัก | รีวิวร้านอาหาร | โทรศัพท์มือถือ ราคาถูก | เรื่องย่อหนัง
