Water en ijs zijn misschien niet de eerste dingen die in je opkomen als je denkt aan enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's), maar een in Japan gevestigd onderzoeksteam dat hoopte een beter begrip te krijgen van het fasegedrag van opgesloten water in de cilindrische poriën van koolstofnanobuisjes, richtte zich op de eigenschappen van beperkt water en deed enkele verrassende ontdekkingen.

Het team, van de Tokyo Metropolitan University, Universiteit van Nagoya, Japans bureau voor wetenschap en technologie, en National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, beschrijft hun bevindingen in het American Institute of Physics' Tijdschrift voor Chemische Fysica .

Hoewel koolstofnanobuisjes bestaan ​​uit hydrofobe (waterafstotende) grafeenplaten, experimentele studies met SWCNT's tonen aan dat water inderdaad kan worden opgesloten in koolstofnanobuisjes met een open einde.

Deze ontdekking geeft ons een dieper inzicht in de eigenschappen van nano-opgesloten water in de poriën van SWCNT's, wat een sleutel is tot de toekomst van nanowetenschap. Verwacht wordt dat nano-opgesloten water in koolstofnanobuisjes de deur kan openen voor de ontwikkeling van een verscheidenheid aan handige nieuwe nanodingen:nanofiltratiesystemen, moleculaire nanolves, moleculaire waterpompen, nanoschaal machtscellen, en zelfs ferro-elektrische apparaten op nanoschaal.

"Wanneer materialen op atomaire schaal zijn opgesloten, vertonen ze ongebruikelijke eigenschappen die anders niet zijn waargenomen, vanwege het zogenaamde 'nanoconfinement-effect'. in de geologie, bijvoorbeeld, nanoconfined water zorgt voor de drijvende kracht voor vorst deining in de bodem, en ook voor het opzwellen van kleimineralen, " legt Yutaka Maniwa uit, een professor in de afdeling natuurkunde aan de Tokyo Metropolitan University. "We hebben dit type effect experimenteel bestudeerd voor water met behulp van SWCNT's."

Water binnen SWCNT's in het bereik van 1,68 tot 2,40 nanometer ondergaat een nat-droog type overgang wanneer de temperatuur wordt verlaagd. En het team ontdekte dat wanneer SWCNT's extreem smal zijn, het water binnenin vormt buisvormige ijsjes die heel anders zijn dan alle tot nu toe bekende bulkijsjes. Opvallend, hun smeltpunt stijgt naarmate de SWCNT-diameter afneemt - in tegenstelling tot die van bulkwater in een capillair met grote diameter. In feite, buisijs kwam zelfs bij kamertemperatuur voor in SWCNT's.

"We hebben onze studies uitgebreid naar de SWCNT's met een grotere diameter tot 2,40 nanometer en hebben met succes een globaal fasegedrag van water voorgesteld, " zegt Maniwa. "Dit fasediagram (zie figuur) dekt een overgang van microscopische naar macroscopische gebieden. In het macroscopische gebied, een nieuwe nat-droog overgang werd onlangs onderzocht bij lage temperatuur."

Resultaten zoals deze dragen bij aan een beter begrip van fundamentele wetenschap, omdat nano-opgesloten water overal op aarde bestaat en een vitale rol speelt, inclusief ons lichaam. "Het begrijpen van het nanobeperkte effect op de eigenschappen van materialen is ook cruciaal om nieuwe apparaten te ontwikkelen, zoals protongeleidende membranen en nanofiltratie, ’ merkt Maniwa op.

Volgende, het team is van plan om de fysieke eigenschappen te onderzoeken van beschut water dat tot nu toe in SWCNT's is ontdekt (zoals diëlektrische stroom en protongeleiding). Dit zullen ze nastreven om een ​​beter begrip te krijgen van de moleculaire structuur en transporteigenschappen in biologische systemen.