De baanbrekende bevindingen, gerapporteerd in het journaal Natuur , zorgen voor een beter begrip van het contra-intuïtieve gedrag van water op moleculaire schaal en zijn belangrijk voor de ontwikkeling van efficiëntere technologieën, waaronder filtratie, ontzilting en distillatie.

Water is een van de meest bekende en overvloedige stoffen op aarde. Het bestaat in vele vormen, als vloeistof, damp en maar liefst 15 kristalstructuren van ijs, waarbij het veel voorkomende zeshoekige ijs in zijn eentje verantwoordelijk is voor de fascinerende verscheidenheid aan sneeuwvlokken.

Minder opvallend maar even alomtegenwoordig is water op grensvlakken en opgesloten in microscopisch kleine poriën. In feite, een paar monolagen water bedekken elk oppervlak om ons heen, zelfs in de droogste woestijnen, en vul elke microscopisch kleine scheur in, bijvoorbeeld, die aanwezig zijn in rotsen.

Nog, er is heel weinig bekend over de structuur en het gedrag van dergelijk microscopisch water, vooral wanneer het aan het zicht onttrokken is, in haarvaten diep in een bulkmateriaal.

Een internationaal team van onderzoekers van de Universiteit van Manchester, de Universiteit van Ulm in Duitsland en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China hebben een transparant capillair op nanoschaal gemaakt om de atomaire structuur van water dat erin zit te onderzoeken. Ze gebruikten elektronenmicroscopie met hoge vergroting waarmee ze individuele watermoleculen konden zien, en het nanocapillair is gemaakt van grafeen dat één atoom dik is en de beeldvorming met elektronenmicroscopie niet verdoezelt.

Tot hun verbazing, de wetenschappers vonden kleine vierkante ijskristallen bij kamertemperatuur, op voorwaarde dat de grafeencapillairen smal genoeg waren, niet meer dan drie atomaire lagen water toestaan. Watermoleculen vormden een vierkant rooster, zittend langs gelijkmatig verdeelde nette rijen die loodrecht op elkaar lopen. Zo'n plat vierkant arrangement is volledig onkarakteristiek voor water waarvan de moleculen altijd kleine piramidale structuren vormen binnen al het eerder bekende ijs.

Met behulp van computersimulaties, de onderzoekers probeerden ook te achterhalen hoe vaak vierkant ijs in de natuur voorkomt. De resultaten laten zien dat, als de laag water dun genoeg is, het zou vierkant ijs moeten vormen, onafhankelijk van een exacte chemische samenstelling van de begrenzende wanden van een nanoporie.

Daarom, het is waarschijnlijk dat vierkant ijs heel gebruikelijk is op moleculaire schaal en aanwezig is aan het uiteinde van elke microscopisch kleine scheur of porie in elk materiaal.

Professor Irina Grigorieva, die het Manchester-gedeelte van de inspanningen leidde, merkte op:"Wetenschappers probeerden decennialang de structuur te begrijpen van water dat opgesloten zat in nauwe kanalen, maar tot nu toe was dit alleen mogelijk door computersimulaties, en de resultaten kwamen vaak niet met elkaar overeen".

"Microscopische scheuren, poriën, zenders zijn overal, en niet alleen op deze planeet. Weten dat water op nanoschaal zich zo anders gedraagt ​​dan het gewone bulkwater, is belangrijk voor een beter begrip van materialen."

Mijnheer André Geim, die een Nobelprijs voor grafeen ontving en nu meeschreef aan de paper, zei:"Deze studie werd gestimuleerd door onze eerdere waarnemingen van ultrasnelle stroming van water door grafeen-nanocapillairen. We speculeerden zelfs dat dit te wijten zou kunnen zijn aan tweedimensionaal vierkant ijs ... maar zien is geloven."

Hij voegde eraan toe:"Water is waarschijnlijk de meest bestudeerde stof ooit, maar niemand dacht dat ijs vierkant zou kunnen zijn. Dit verhaal laat zien hoeveel nieuwe kennis er nog moet worden ontdekt als je naar de nanoschaal gaat."