Σύνοψη
- Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Cambridge, το Harvard και το Max-Planck, υπό τον καθηγητή Άγγελο Μιχαηλίδη, αποκρυπτογράφησαν τη συμπεριφορά του νερού σε νανοκλίμακα.
- Η δημοσίευση καταρρίπτει τη θεωρία ότι ο απλός εγκλωβισμός αλλάζει την αντιδραστικότητα του νερού.
- Σταγονίδια νερού μεταξύ φύλλων γραφενίου ή νιτριδίου του βορίου (hBN) δέχονται τεράστιες εσωτερικές πιέσεις της τάξης των gigapascals, όμοιες με τις συνθήκες στον μανδύα της Γης.
- Η ανακάλυψη δημιουργεί νέα δεδομένα για τον σχεδιασμό αποδοτικότερων μπαταριών, προηγμένων φίλτρων αφαλάτωσης και τεχνολογιών νανοϊατρικής.
Όταν το νερό εγκλωβίζεται σε χώρους νανοκλίμακας, η χημική του αντιδραστικότητα δεν μεταβάλλεται εγγενώς λόγω του περιορισμού, αλλά εξαιτίας των τεράστιων εσωτερικών πιέσεων που αναπτύσσονται. Οι συνθήκες αυτές, οι οποίες αγγίζουν αρκετά gigapascals, μειώνουν το ενεργειακό φράγμα για τη διάσπαση του νερού, προκαλώντας τον αυξημένο ιονισμό του.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρεται το νερό όταν βρίσκεται περιορισμένο σε εξαιρετικά μικρούς χώρους ταλαιπωρούσε την επιστημονική κοινότητα επί σειρά ετών. Ομάδα ερευνητών από κορυφαία ακαδημαϊκά ιδρύματα (Πανεπιστήμιο του Cambridge, Harvard, CalTech και Ινστιτούτο Max-Planck), με επικεφαλής τον καθηγητή Άγγελο Μιχαηλίδη του τμήματος Χημείας του Cambridge, δημοσίευσε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances την οριστική απάντηση σε αυτό το πολύπλοκο θερμοδυναμικό πρόβλημα.
Η έρευνα εστιάζει στο νερό που παγιδεύεται ανάμεσα σε δισδιάστατα υλικά πάχους ενός ατόμου. Η μελέτη καταρρίπτει την προηγούμενη αντίληψη που υποστήριζε ότι η μείωση του φυσικού χώρου ήταν η μοναδική αιτία για την αλλαγή του ρυθμού των χημικών αντιδράσεων. Όπως αποδείχθηκε μέσα από εκτεταμένες προσομοιώσεις και πειραματικές αναλύσεις, ο κύριος οδηγός αυτών των αλλαγών είναι οι ακραίες φυσικές και χημικές συνθήκες που αναπτύσσονται μέσα σε αυτούς τους περιορισμένους χώρους.
Η μεθοδολογία και ο ρόλος της θερμοδυναμικής ισορροπίας
Για να καταλήξουν σε ασφαλή συμπεράσματα, οι ερευνητές έπρεπε να συγκρίνουν τις ιδιότητες του περιορισμένου νερού με το συμβατικό νερό, κάτω από απολύτως ταυτόσημες θερμοδυναμικές συνθήκες. Η κρίσιμη παράμετρος που εξέτασαν ήταν το χημικό δυναμικό, το μέγεθος που καθορίζει εάν μια χημική αντίδραση θα εξελιχθεί. Ο Dr. Christoph Schran, εκ των συγγραφέων της έρευνας από το Εργαστήριο Cavendish, εξηγεί ότι όταν το σύστημα αναλύθηκε με σταθερό το χημικό δυναμικό, η επίδραση του ίδιου του γεωμετρικού περιορισμού σχεδόν εξαφανίστηκε. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο εγκλωβισμός από μόνος του δεν μεταβάλλει τις ιδιότητες του νερού, αλλά δημιουργεί το κατάλληλο περιβάλλον για να δράσουν άλλες δυνάμεις.
Η επιστημονική ομάδα παρατήρησε ότι τα σταγονίδια νερού που βρίσκονταν κλεισμένα ανάμεσα στα επίπεδα νανοϋλικών υφίσταντο πιέσεις της τάξης των gigapascals. Μιλάμε για μια πίεση που συναντάται κυρίως σε μεγάλα βάθη κάτω από τον φλοιό της Γης, η οποία αναπτύσσεται στην περίπτωσή μας απουσία οποιασδήποτε μηχανικής συμπίεσης ή εξωτερικής δύναμης από τους ερευνητές. Η πίεση αυτή ενισχύει θεαματικά τη διαδικασία της διάσπασης του νερού σε ιόντα. Ωστόσο, οι ερευνητές απέδειξαν ότι αν το ελεύθερο νερό υποβαλλόταν στην ίδια ακριβώς τεράστια πίεση, η αντιδραστικότητα του θα ακολουθούσε ακριβώς την ίδια μαθηματική τάση με αυτή του νανο-εγκλωβισμένου.
Η επίδραση του επιφανειακού υλικού: hBN vs Γραφένιο
Αν η γεωμετρία δεν είναι ο καταλύτης, τότε τι προκαλεί τις παρατηρούμενες αλλαγές στον ιονισμό; Η μελέτη καταδεικνύει ότι τα ίδια τα τοιχώματα του υλικού περιορισμού συμμετέχουν ενεργά στη χημική διαδικασία. Σε σταγονίδια που ενθυλακώθηκαν εντός εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (hBN), τα ιόντα υδροξειδίου (OH⁻) που προέκυψαν από τη διάσπαση του νερού κατέληξαν να συνδέονται χημικά με τα άκρα του hBN.
Αυτή η χημική αλληλεπίδραση σταθεροποιεί τα προϊόντα της αντίδρασης και, κατά συνέπεια, μειώνει το ενεργειακό φράγμα που απαιτείται για να διασπαστεί το νερό αρχικά. Η σταθεροποίηση μεταφράζεται σε αύξηση του βαθμού ιονισμού του νερού μέσα στο hBN. Αντίθετα, στα φύλλα γραφενίου, λόγω της διαφορετικής χημικής φύσης του άνθρακα, η αλληλεπίδραση αυτή διαφέρει σημαντικά, επιβεβαιώνοντας πως μπορούμε να "ρυθμίσουμε" τη χημική συμπεριφορά του νερού απλώς επιλέγοντας το σωστό υλικό εγκλωβισμού.
Εφαρμογές στην τεχνολογία
Η πλήρης κατανόηση της συμπεριφοράς του νερού σε επίπεδο νανομέτρου ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία υλικών και συσκευών με βελτιωμένη απόδοση. Στον τομέα των μπαταριών ιόντων λιθίου και των ενεργειακών κυψελών, ο έλεγχος της ιοντικής αγωγιμότητας του νερού εντός μικροσκοπικών πόρων μπορεί να βελτιώσει ριζικά τον κύκλο ζωής και τη χωρητικότητα των συσσωρευτών. Παράλληλα, τεχνολογίες αφαλάτωσης, μπορούν να αξιοποιήσουν προηγμένες μεμβράνες hBN ή γραφενίου που θα φιλτράρουν το θαλασσινό νερό καταναλώνοντας ελάχιστη ενέργεια.
