Het is een bekend feit dat water, op zeeniveau, begint te koken bij een temperatuur van 212 graden Fahrenheit, of 100 graden Celsius. En wetenschappers hebben lang waargenomen dat wanneer water in zeer kleine ruimtes wordt opgesloten, de kook- en vriespunten kunnen een beetje veranderen, daalt meestal rond de 10 C of zo.

Maar nu, een team van MIT heeft een totaal onverwachte reeks veranderingen gevonden:in de kleinste ruimtes - in koolstofnanobuisjes waarvan de binnenafmetingen niet veel groter zijn dan een paar watermoleculen - kan water vast bevriezen, zelfs bij hoge temperaturen die het normaal gesproken zouden doen koken.

De ontdekking illustreert hoe zelfs zeer bekende materialen hun gedrag drastisch kunnen veranderen wanneer ze opgesloten zitten in structuren gemeten in nanometers, of miljardsten van een meter. En de bevinding kan leiden tot nieuwe toepassingen, zoals eigenlijk, met ijs gevulde draden - die profiteren van de unieke elektrische en thermische eigenschappen van ijs en toch stabiel blijven bij kamertemperatuur.

De resultaten worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , in een paper van Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor in Chemical Engineering aan het MIT; postdoc Kumar Agrawal; en drie anderen.

"Als je een vloeistof opsluit in een nanoholte, je kunt het fasegedrag zelfs vervormen, "Strano zegt, verwijzend naar hoe en wanneer de stof verandert tussen vast, vloeistof, en gasfasen. Dergelijke effecten werden verwacht, maar de enorme omvang van de verandering, en de richting ervan (het vriespunt verhogen in plaats van verlagen), waren een complete verrassing:in een van de tests van het team het water stolde bij een temperatuur van 105 C of meer. (De exacte temperatuur is moeilijk te bepalen, maar 105 C werd in deze test als de minimumwaarde beschouwd; de werkelijke temperatuur kan oplopen tot 151 C.)

"Het effect is veel groter dan iemand had verwacht, ' zegt Strano.

Het blijkt dat de manier waarop het gedrag van water verandert in de kleine koolstofnanobuisjes - de vorm van een sodarietje structureert, volledig gemaakt van koolstofatomen, maar slechts een paar nanometer in diameter - hangt in belangrijke mate af van de exacte diameter van de buizen. "Dit zijn echt de kleinste pijpen die je kunt bedenken, " zegt Strano. In de experimenten, de nanobuisjes werden aan beide uiteinden opengelaten, met waterreservoirs bij elke opening.

Zelfs het verschil tussen nanobuisjes met een diameter van 1,05 nanometer en 1,06 nanometer maakte een verschil van tientallen graden in het schijnbare vriespunt, vonden de onderzoekers. Zulke extreme verschillen waren volkomen onverwacht. "Alle weddenschappen zijn uitgeschakeld als je echt klein wordt, " zegt Strano. "Het is echt een onontgonnen ruimte."

Bij eerdere pogingen om te begrijpen hoe water en andere vloeistoffen zich zouden gedragen als ze zich in zulke kleine ruimtes zouden bevinden, "Er waren enkele simulaties die echt tegenstrijdige resultaten lieten zien, ", zegt hij. Een deel van de reden daarvoor is dat veel teams de exacte afmetingen van hun koolstofnanobuisjes niet zo precies konden meten, niet beseffend dat zulke kleine verschillen zulke verschillende resultaten kunnen opleveren.

In feite, het is verrassend dat er überhaupt water in deze kleine buisjes komt, Strano zegt:Men denkt dat koolstofnanobuizen hydrofoob zijn, of waterafstotend, dus watermoleculen moeten het moeilijk hebben om binnen te komen. Het feit dat ze toegang krijgen, blijft een beetje een mysterie, hij zegt.

Strano en zijn team gebruikten zeer gevoelige beeldvormingssystemen, met behulp van een techniek genaamd vibrationele spectroscopie, die de beweging van water in de nanobuisjes zou kunnen volgen, waardoor zijn gedrag voor het eerst aan gedetailleerde metingen wordt onderworpen.

Het team kan niet alleen de aanwezigheid van water in de buis detecteren, maar ook zijn fase, hij zegt:"We kunnen zien of het damp of vloeistof is, en we kunnen zien of het zich in een stijve fase bevindt." Terwijl het water zeker in een vaste fase gaat, het team vermijdt het "ijs" te noemen omdat die term een ​​bepaald soort kristallijne structuur impliceert, die ze nog niet overtuigend hebben kunnen aantonen in deze besloten ruimtes. "Het is niet per se ijs, maar het is een ijsachtige fase, ' zegt Strano.

Omdat dit vaste water pas ver boven het normale kookpunt van water smelt, het moet voor onbepaalde tijd perfect stabiel blijven onder kamertemperatuur. Dat maakt het potentieel een bruikbaar materiaal voor een verscheidenheid aan mogelijke toepassingen, hij zegt. Bijvoorbeeld, het moet mogelijk zijn om "ijsdraden" te maken die tot de beste dragers van protonen behoren, omdat water protonen minstens 10 keer gemakkelijker geleidt dan typische geleidende materialen. "Dit geeft ons zeer stabiele waterdraden, op kamertemperatuur, " hij zegt.