science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Bewijs voor vaste-vloeistof-kritische punten van water in koolstofnanobuisjes

Figuur 1:Waterstofbindingsstructuren van zes ijsjes gevormd in de nanobuisjes:(a) (4, 0)ijs, (b) (5, 0) ijs en (c) gevuld (6, 0) ijs met een diameter van 1,11 nm, (d) (6, 0) ijs, (e) gevuld (7, 0) ijs en (f) gevuld (8, 0) ijs met een diameter van 1,25 nm. Bovenaanzichten en het bijbehorende zijaanzicht zijn naast elkaar getekend. Centrale watermoleculen die een ketting vormen in het gevulde ijs, zijn rood gekleurd om ze te onderscheiden van de buitenste ringen.

Veel natuurkundigen accepteren het idee niet dat een vast-vloeibaar fasegrens kan eindigen op een kritiek punt - een unieke toestand waarin twee fasen hun afzonderlijke identiteit verliezen. Waarom doen ze dat niet? Het gezaghebbende leerboek van Landau en Lifshitz zegt dat "we alleen kunnen zeggen dat een bepaalde symmetrie-eigenschap bestaat of niet bestaat; ... Het kritieke punt kan daarom niet bestaan ​​voor dergelijke fasen." Maar sinds 2001 de mogelijkheid van het vaste-vloeibare kritieke punt is gemeld in computersimulatiestudies van water in nanoporiën. In feite, er is geen rigoureus bewijs voor het niet-bestaan ​​van het vaste-vloeibare kritieke punt.

Kenji Mochizuki en Kenichiro Koga van de Okayama University hebben ondubbelzinnig bewijs geleverd om het vaste-vloeistof-kritische punt voor een klasse water in nanobuisjes te ondersteunen door uitgebreide moleculaire dynamica-simulaties uit te voeren:macroscopische vaste-vloeistof-fasescheiding onder een kritische temperatuur Tc, divergerende warmtecapaciteit en isotherme samendrukbaarheid rond Tc, en de loci van responsfunctie maxima (de Widom-lijnen) boven Tc.

Figuur 1 toont de waterstofbrugstructuren van zes ijskristallen gevormd in koolstofnanobuisjes met een diameter van 1,11 nm en 1,25 nm. De onderzoekers ontdekten dat alle fasegrenzen van de eerste orde tussen het ijs en de vloeistof uiteindelijk ophielden te bestaan ​​op de kritieke punten, zoals weergegeven in figuur 2. Het TP-fasediagram is heel anders dan dat van bulkwater, waar ijsgebieden volledig worden omringd door de fasegrenzen van de eerste orde (ononderbroken zwarte lijnen).

De onderzoekers gaven ook een microscopische verklaring voor een eenvoudige, nog onbeantwoord, vraag:hoe kan vloeibaar water continu bevriezen tot kristallijn ijs? Ze vonden dynamische fluctuaties van microscopisch kleine domeinen van water en ijs nabij het kritieke punt - een microscopisch beeld van water in de loop van geleidelijk bevriezen of smelten.

De kritische punten in beschut water zijn alomtegenwoordig en kunnen worden gevonden bij omgevingscondities door de poriediameter af te stemmen, en daarom is een van de mogelijke toepassingen om de afstembare kritische fluctuaties te gebruiken om chemische reacties te vergemakkelijken, structurele veranderingen in biologische moleculen, en vorming van assemblage van biomoleculen in water.

Figuur 2:Fasediagrammen van (a) bulkwater, (b) water opgesloten in de nanobuis met een diameter van 1,11 nm, en (c) 1,25 nm. De fasediagrammen van (b) en (c) worden eerst onthuld in deze studie. Vaste gebieden zijn blauw gekleurd en kritieke punten zijn aangegeven met rode cirkels.