Przemiana pod wpływem ciśnienia
Kiedy woda trafia do przestrzeni o grubości 1-2 nanometrów, jej właściwości elektryczne zmieniają się w sposób, którego nikt wcześniej nie przewidział. Stała dielektryczna, która dla zwykłej wody wynosi około 80, osiąga wartości bliskie 1000. Jest to poziom typowy dla ferroelektryków wykorzystywanych w zaawansowanych układach elektronicznych. Równocześnie przewodność elektryczna wody wzrasta do około 3 S/m przy grubości kanału 1,5 nanometra. Te parametry zbliżają ją do właściwości cieczy superjonowych, które uważa się za przyszłość technologii akumulatorowych.
Kiedy woda jest uwięziona w przestrzeniach o grubości kilku atomów, przekształca się w coś zupełnie nieznanego, wykazując właściwości częściej kojarzone z zaawansowanymi materiałami, takimi jak ferroelektryki i ciecze superjonowe – podsumowują University of Manchester
Najbardziej intrygującym aspektem okazała się anizotropia elektryczna uwięzionej wody. Wcześniejsze badania sugerowały, iż woda ściśnięta do nanoskali staje się „elektrycznie martwa” w kierunku prostopadłym do powierzchni. Najnowsze pomiary pokazują jednak coś zupełnie odwrotnego: w kierunku równoległym jej aktywność elektryczna wzrasta dziesięciokrotnie.
Wyobraź sobie, że woda ma rozdwojoną osobowość. W jednym kierunku jest elektrycznie martwa, ale spójrz na nią z profilu, a nagle staje się elektrycznie superaktywna. Nikt nie spodziewał się tak dramatycznego zachowania – tłumaczy Laura Fumagalli
Sekret ukryty w wiązaniach
Podstawą sukcesu w postaci zrozumienia tej przemiany jest zaburzenie sieci wiązań wodorowych. W normalnych warunkach cząsteczki wody tworzą dynamiczną, ale uporządkowaną strukturę. Ekstremalne ściśnięcie niszczy tę organizację, prowadząc do chaosu na poziomie molekularnym. Ta pozorna dezorganizacja przynosi jednak nieoczekiwane korzyści. Zaburzona sieć umożliwia dipolom elektrycznym łatwiejsze dostosowywanie się do pól elektrycznych, a protonom – szybsze przemieszczanie się przez strukturę. Ten właśnie mechanizm odpowiada za superjonowe właściwości ściśniętej wody. Badacze wyróżnili dwa różne stany elektryczne. W kanałach szerszych niż 4 nanometry woda zachowuje się podobnie do zwykłej, choć z podwyższoną przewodnością. Natomiast w przestrzeniach o grubości 1-2 nanometrów przechodzi w nowy, „superjonopodobny” stan.
Czytaj też: Przełom w pomiarach kwantowych zmienia reguły fizyki. Naukowcy łączą ogień z wodą
Przełom w badaniach był możliwy dzięki zastosowaniu skaningowej mikroskopii dielektrycznej (SDM), czyli zaawansowanej techniki pomiarowej działającej w zakresie częstotliwości od kiloherców do gigaherców. To narzędzie po raz pierwszy pozwoliło naukowcom zmierzyć właściwości elektryczne wody na poziomie pojedynczych warstw atomowych. Precyzja pomiarów okazała się kluczowa. Badacze analizowali kanały o wysokości od 1 do 60 nanometrów, wykrywając nagłe zmiany właściwości przy przekroczeniu granicy kilku nanometrów.
Możliwości potencjalnych zastosowań
Opisywane odkrycie może mieć znaczenie dla rozwoju różnych dziedzin technologii. Właściwości superjonowe ściśniętej wody mogą znaleźć zastosowanie w projektowaniu baterii nowej generacji, gdzie szybki transport jonów decyduje o wydajności. W nanoelektronice wysokie wartości stałej dielektrycznej mogą posłużyć do tworzenia miniaturowych kondensatorów o dużej pojemności. Kolejną dziedziną, która może skorzystać z nowych właściwości wody, jest mikrofluidyka. Badanie dostarcza też fundamentalnych informacji dla biologii molekularnej. Wiele procesów biochemicznych zachodzi w środowiskach, w których woda jest silnie ograniczona przestrzennie, na przykład w kanałach białkowych czy między błonami komórkowymi.
Nasze badanie zmienia sposób, w jaki powinniśmy myśleć o wodzie. Najzwyklejsza substancja na Ziemi ma niezwykłe talenty, które do tej pory były ukryte – dodaje Fumagalli
Woda, którą uważamy za dobrze poznaną, okazuje się mieć ukryte właściwości ujawniające się dopiero w ekstremalnych warunkach. Być może to właśnie w tych nieoczywistych zjawiskach tkwi klucz do przyszłych technologicznych rozwiązań?