Το νερό ξαναγράφει τη Φυσική: Ανακαλύφθηκε ότι μπορεί να άγει και να αποθηκεύει ενέργεια ταυτόχρονα!

Το νερό, η πιο κοινή ουσία στον πλανήτη μας, αποδεικνύεται ότι κρύβει ακόμα πολλά μυστικά. Μια νέα, ριζοσπαστική έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature έρχεται να ανατρέψει όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα για τη φυσική συμπεριφορά του. Σύμφωνα με τα ευρήματα, όταν το νερό περιοριστεί σε νανομετρικές διαστάσεις, αποκτά ηλεκτρικές ιδιότητες που θεωρούνταν μέχρι τώρα αδύνατες: μετατρέπεται ταυτόχρονα σε εξαιρετικό αγωγό και σε υλικό ικανό να αποθηκεύει τεράστια ποσά ενέργειας.

Πίσω από την ανακάλυψη βρίσκεται μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το University of Manchester και τον βραβευμένο με Νόμπελ Φυσικής Andre Geim, γνωστό για την ανακάλυψη του γραφενίου. Καθοριστικό ρόλο, όμως, είχε και το University of Granada (UGR), το οποίο συνέβαλε με κρίσιμη μαθηματική υποστήριξη στην ανάλυση των δεδομένων.

Η ομάδα απέδειξε ότι όταν το νερό περιοριστεί μέσα σε κανάλια πάχους μόλις ενός ή δύο νανομέτρων (περίπου ένα εκατομμυριοστό του χιλιοστού) αλλάζει ριζικά η ηλεκτρική του συμπεριφορά. Σ’ αυτές τις συνθήκες, το νερό αποκτά δύο ιδιότητες που μέχρι τώρα θεωρούνταν αμοιβαία αποκλειόμενες: γίνεται εξαιρετικός αγωγός, αλλά και εξαιρετικός μονωτής.

Η πρώτη ιδιότητα αφορά την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Σε αυτό το υπερμικρό περιβάλλον, το νερό επιτρέπει στα πρωτόνια να κινούνται με πρωτοφανή ευκολία, φτάνοντας επίπεδα συγκρίσιμα με τα λεγόμενα «superionic» υγρά, τα οποία θεωρούνται κορυφαία στην αγωγιμότητα. Παράλληλα, το νερό αποκτά τεράστια ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας — χαρακτηριστικό που συνήθως παρατηρείται σε «σιδηροηλεκτρικά» υλικά, με τιμές διηλεκτρικής σταθεράς κοντά στο 1.000 (όταν στο κοινό νερό είναι περίπου 80).

Η σύμπτωση αυτών των δύο ιδιοτήτων στο ίδιο υλικό θεωρείται μέχρι πρότινος αδύνατη. Οι φυσικοί μιλούν για ένα «αντιφατικό θαύμα» της νανοκλίμακας, που έρχεται να αμφισβητήσει θεμελιώδεις παραδοχές της ηλεκτροδυναμικής.

Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι η νέα ανακάλυψη αντιστρέφει πλήρως τα συμπεράσματα μιας παλαιότερης μελέτης του ίδιου ερευνητικού σχήματος, η οποία είχε δημοσιευθεί το 2018 στο Science. Τότε, οι επιστήμονες είχαν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το περιορισμένο νερό γίνεται «ηλεκτρικά νεκρό». Πώς γίνεται, λοιπόν, τώρα να εμφανίζει το αντίθετο αποτέλεσμα;

Η απάντηση κρύβεται στην ανισοτροπία — δηλαδή στο πώς αλλάζουν οι ιδιότητες του υλικού ανάλογα με την κατεύθυνση μέτρησης. Το 2018 οι μετρήσεις είχαν γίνει κάθετα προς τις επιφάνειες που περιόριζαν το νερό, ενώ στη νέα μελέτη έγιναν παράλληλα προς αυτές. Αυτή η αλλαγή προοπτικής αποκάλυψε μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά, φανερώνοντας το τεράστιο δυναμικό του νερού ως «υπερϋλικού».

Αν επιβεβαιωθούν πλήρως τα αποτελέσματα, οι εφαρμογές αυτής της ανακάλυψης θα μπορούσαν να είναι κοσμοϊστορικές. Ένα μόνο υλικό που συνδυάζει τόσο υψηλή αγωγιμότητα όσο και τεράστια ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας αποτελεί τον απόλυτο στόχο για την ενεργειακή μηχανική. Οι ερευνητές βλέπουν ήδη προοπτικές για τη δημιουργία νέας γενιάς μπαταριών και υπερπυκνωτών — μικρότερων, ασφαλέστερων και με χρόνους φόρτισης που θα μπορούσαν να μειωθούν δραματικά.

Παράλληλα, η έρευνα ανοίγει νέες δυνατότητες και στη βιοϊατρική. Η ικανότητα του νερού να αλλάζει συμπεριφορά ανάλογα με το περιβάλλον του θα μπορούσε να οδηγήσει σε εξελιγμένες τεχνολογίες καθαρισμού νερού, ή ακόμα και σε «έξυπνες» μεμβράνες που επιτρέπουν τη ρύθμιση ιόντων και μορίων με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας.

[source]