Onderzoekers hebben tientallen jaren besteed aan het bestuderen van de eigenschappen van water en hoe ze veranderen wanneer hun normale gedrag wordt verstoord. Onderzoek over het onderwerp heeft een breed scala aan toepassingen, van biochemische systemen tot waterontzilting.

Een team van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Argonne National Laboratory en de Universiteit van Chicago onderzochten hoe de structuur en elektronische eigenschappen van vloeibaar water kunnen worden beïnvloed door de aanwezigheid van ionen en nano-opsluiting (ionen en water opgesloten tussen materiaaloppervlakken die nanometers van elkaar verwijderd zijn). Ze gebruikten eerste-principesimulaties om naar tekenen van deze verstoringen te zoeken. Het onderzoek verschijnt in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

Ter vergelijking, het team, onder leiding van hoofdauteur Viktor Rozsa, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago en een DOE NNSA Stewardship Science Graduate fellow, simulaties uitgevoerd voor water in halfgeleidende nanobuisjes met een diameter van 1,1 en 1,5 nanometer, respectievelijk (een nanometer is ongeveer 17, 000 keer kleiner dan een mensenhaar). Ze ontdekten dat door de nano-opsluiting, er zijn concurrerende effecten van verbroken waterstofbruggen en water-koolstof interacties op de moleculaire polariseerbaarheid. Ze identificeerden moleculaire polariseerbaarheid van water als de "vingerafdruk" van verstoring van ionen en nano-opsluiting.

"De moleculaire polariseerbaarheid vertoonde een concurrerende balans tussen reducties door het breken van de structuur en verbeteringen aan het grensvlak van de nanobuis, " zei Anh Pham van LLNL, een materiaalwetenschapper in de Quantum Simulations Group.

Dit werk kan worden uitgebreid om het effect van anionen of tweewaardige ionen op beschut water te begrijpen. In de toekomst, de onderzoekers willen bestuderen hoe de concurrerende effecten op de moleculaire polariseerbaarheid worden beïnvloed door andere gesolvateerde ionen en in verschillende mate van opsluiting.

"Onze resultaten benadrukken het belang van het opnemen van polariseerbaarheid voor realistische simulaties van water in complexe omgevingen en kunnen helpen bij het parametriseren van toekomstige interatomaire potentialen, " zei Giulia Galli, de Liew Family Professor aan de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago, senior wetenschapper bij Argonne en een co-auteur van de studie.

Het artikel dat dit onderzoek beschrijft, werd gekozen als een uitgelicht artikel door de Tijdschrift voor Chemische Fysica en werd ook benadrukt door het American Institute of Physics.