Nieoczekiwany taniec cząsteczek wody
Badacze przyglądali się zachowaniu wody na ultracieńkich materiałach dwuwymiarowych, takich jak grafen i heksagonalny azotek boru (h-BN). Struktura atomowa obu przypomina plaster miodu i są do siebie łudząco podobne. Różnica jest subtelna, ale fundamentalna: grafen przewodzi prąd, podczas gdy h-BN jest izolatorem o specyficznych, polarnych wiązaniach. To właśnie ta pozorna drobiazgowość decyduje o losie cząsteczki wody. Na grafenie pojedyncza molekuła H₂O porusza się w sposób niemal mechaniczny, przeskakując z jednego punktu przyczepienia na drugi.
Czytaj też: Od zabawki do przełomu. Niesamowity eksperyment nastolatka pozornie przeczy zasadom fizyki
Na heksagonalnym azotku boru scenariusz jest zupełnie inny. Tam cząsteczka wykonuje płynny, łączony ruch obrotowy i przesuwny, przypominający spacer. Naukowcy zmierzyli to zjawisko, a dane opublikowane w Nature Communications potwierdzają jego wyjątkowość. Energia potrzebna do wprawienia wody w ruch na h-BN wspieranym niklem jest około 2,5 raza mniejsza niż w przypadku grafenu na tym samym podłożu. Marco Sacchi z University of Surrey opisuje to obrazowo:
Mamy tendencję do myślenia o wodzie jako o czymś prostym, ale na poziomie molekularnym zachowuje się ona w niezwykły sposób. To prawie tak, jakby cząsteczka spacerowała, a nie skakała. Ten ciągły, obrotowy ruch był całkowicie nieoczekiwany.
Grafen traci przewagę
Prawdziwą niespodzianką okazał się wpływ metalu znajdującego się pod warstwą materiału 2D. Okazało się, że niklowy „fundament” nie tylko modyfikuje zachowanie wody, lecz również może całkowicie odwrócić przewidywane relacje. Gdy grafen i h-BN istnieją samodzielnie, tarcie dla wody jest większe na tym drugim. Gdy jednak oba osadzi się na niklu, sytuacja się odwraca diametralnie. Tarcie molekularne na grafenie z podłożem niklowym jest niemal ośmiokrotnie wyższe niż na h-BN w tej samej konfiguracji.
Ta zmiana wynika z dwóch czynników: gładszego „krajobrazu energetycznego” powierzchni h-BN/Ni oraz innego sposobu sprzężenia wibracji cząsteczki wody z podłożem. Na h-BN dominują ruchy zginające molekułę, co ułatwia jej płynny krok. Do tych obserwacji potrzeba było zaawansowanego arsenału badawczego. Ruch pojedynczych cząstek śledzono za pomocą spektroskopii echa spinowego helu, która nie zakłóca badanych obiektów. Równolegle prowadzono symulacje kwantowe i dynamikę molekularną, aby zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw zaobserwowanych zjawisk.
Czytaj też: Naukowcy nagrali eksplodującą cząsteczkę. Fizyka właśnie stanęła na głowie
Co z tego wynika dla nas? Potencjalne zastosowania są szerokie, choć na razie pozostają w sferze projektów i prototypów. Możliwość precyzyjnego sterowania tarciem i ruchem wody na poziomie nano otwiera kilka drzwi. Pierwszym naturalnym kierunkiem są powłoki przeciwoblodzeniowe. Powierzchnia, po której woda „spaceruje” swobodnie, może utrudniać inicjację procesu zamarzania. To mogłoby znaleźć zastosowanie w lotnictwie czy na panelach słonecznych. Podobna logika przyświecałaby powłokom samooczyszczającym, gdzie woda spływałaby, zabierając zanieczyszczenia. Innym obszarem są membrany do odsalania wody morską. Lepsze zrozumienie dynamiki transportu cząsteczek przez ultracienkie materiały mogłoby prowadzić do projektowania bardziej wydajnych filtrów, co przekłada się na niższe koszty energii. To jednak marzenie, którego realizacja wymaga jeszcze wielu lat badań i testów wytrzymałościowych w realnych warunkach.