นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้ค้นพบว่าน้ำในชั้นโมเลกุลเดียวทำหน้าที่เหมือนไม่ใช่ของเหลวหรือของแข็ง และกลายเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้สูงที่ความดันสูง
เป็นที่ทราบกันดีว่า ‘น้ำปริมาณมาก’ มีพฤติกรรมอย่างไร: น้ำจะขยายตัวเมื่อแข็งตัว และมีจุดเดือดสูง แต่เมื่อน้ำถูกบีบอัดจนถึงระดับนาโน คุณสมบัติของน้ำจะเปลี่ยนไปอย่างมาก
ด้วยการพัฒนาวิธีการใหม่ในการคาดการณ์พฤติกรรมที่ผิดปกตินี้ด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน นักวิจัยได้ตรวจพบเฟสใหม่ ๆ ของน้ำในระดับโมเลกุล
น้ำขังอยู่ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์หรือในโพรงระดับนาโนขนาดเล็ก สามารถพบได้ในทุกสิ่งตั้งแต่เยื่อหุ้มในร่างกายของเราไปจนถึงการก่อตัวทางธรณีวิทยา แต่น้ำกักขังระดับนาโนนี้มีลักษณะแตกต่างจากน้ำที่เราดื่มมาก
จนถึงปัจจุบัน ความท้าทายในการทดลองกำหนดลักษณะเฟสของน้ำในระดับนาโน ทำให้ไม่สามารถเข้าใจพฤติกรรมของน้ำได้อย่างเต็มที่ แต่ใน บทความ ที่ ตีพิมพ์ในวารสาร Natureทีมงานที่นำโดยเคมบริดจ์ได้อธิบายว่าพวกเขาใช้ความก้าวหน้าในวิธีการคำนวณเพื่อทำนายแผนภาพเฟสของชั้นน้ำหนา 1 โมเลกุลด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อนได้อย่างไร
พวกเขาใช้วิธีการคำนวณร่วมกันเพื่อให้สามารถตรวจสอบหลักการแรกของน้ำชั้นเดียวได้
นักวิจัยพบว่าน้ำที่ถูกกักขังอยู่ในชั้นหนา 1 โมเลกุลต้องผ่านหลายขั้นตอน รวมถึงเฟส ‘hexatic’ และเฟส ‘superionic’ ในเฟสเฮกซาติก น้ำไม่ทำหน้าที่เป็นทั้งของแข็งและของเหลว แต่มีบางอย่างอยู่ระหว่างนั้น ในเฟส superionic ซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันที่สูงขึ้น น้ำจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าสูง ขับเคลื่อนโปรตอนอย่างรวดเร็วผ่านน้ำแข็งในลักษณะที่คล้ายกับการไหลของอิเล็กตรอนในตัวนำ
การทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำในระดับนาโนมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีใหม่ๆ มากมาย ความสำเร็จของการรักษาพยาบาลขึ้นอยู่กับว่าน้ำที่ขังอยู่ในโพรงเล็กๆ ในร่างกายของเราจะตอบสนองอย่างไร การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์นำไฟฟ้าสูงสำหรับแบตเตอรี่ การแยกเกลือออกจากน้ำ และการขนส่งของเหลวที่ปราศจากแรงเสียดทาน ล้วนอาศัยการคาดการณ์ว่าน้ำที่กักเก็บจะมีพฤติกรรมอย่างไร
ดร.เวนกัต คาปิล จาก Yusuf Hamied Department of Chemistry แห่งเคมบริดจ์ กล่าวว่า “สำหรับพื้นที่ทั้งหมดเหล่านี้ การทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำเป็นคำถามพื้นฐาน “แนวทางของเราช่วยให้สามารถศึกษาน้ำชั้นเดียวในช่องคล้ายกราฟีนที่มีความแม่นยำในการทำนายเป็นประวัติการณ์”
นักวิจัยพบว่าชั้นน้ำหนาหนึ่งโมเลกุลภายในช่องนาโนแชนเนลแสดงพฤติกรรมเฟสที่หลากหลายและหลากหลาย วิธีการของพวกเขาทำนายเฟสต่างๆ ซึ่งรวมถึงเฟส hexatic ซึ่งเป็นตัวกลางระหว่างของแข็งและของเหลว และเฟส superionic ซึ่งน้ำมีค่าการนำไฟฟ้าสูง
“เฟส hexatic ไม่ใช่ของแข็งหรือของเหลว แต่เป็นสื่อกลางซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีก่อนหน้านี้เกี่ยวกับวัสดุสองมิติ” Kapil กล่าว “แนวทางของเรายังชี้ให้เห็นว่าระยะนี้สามารถเห็นได้ในการทดลองโดยการกักขังน้ำไว้ในช่องกราฟีน
“การมีอยู่ของเฟส superionic ในสภาวะที่เข้าถึงได้ง่ายนั้นเป็นเรื่องแปลก เนื่องจากระยะนี้มักพบในสภาวะที่รุนแรง เช่น แกนกลางของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน วิธีหนึ่งในการเห็นภาพระยะนี้คืออะตอมของออกซิเจนก่อตัวเป็นโครงตาข่ายแข็ง และโปรตอนจะไหลเหมือนของเหลวผ่านตาข่าย เหมือนเด็กวิ่งผ่านเขาวงกต”
นักวิจัยกล่าวว่าเฟส superionic นี้อาจมีความสำคัญสำหรับวัสดุอิเล็กโทรไลต์และแบตเตอรี่ในอนาคต เนื่องจากแสดงค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแบตเตอรี่ในปัจจุบัน 100 ถึง 1,000 เท่า
ผลลัพธ์จะไม่เพียงช่วยให้เข้าใจว่าน้ำทำงานอย่างไรในระดับนาโน แต่ยังแนะนำว่า ‘การกักขังระดับนาโน’ อาจเป็นเส้นทางใหม่ในการค้นหาพฤติกรรมที่เหนือกว่าของวัสดุอื่นๆ
Dr Venkat Kapil เป็นนักวิจัยรุ่นเยาว์ที่ Churchill College, Cambridge ทีมวิจัยประกอบด้วย Dr Christoph Schran และ Professor Angelos Michaelides จาก Yusuf Hamied Department of Chemistry ICE groupทำงานร่วมกับ Professor Chris Pickard ที่ Department of Materials Science & Metallurgy, Dr Andrea Zen จาก University of Naples Federico II และ Dr Ji Chen จาก มหาวิทยาลัยปักกิ่ง.
อ้างอิง:
Angelos Michaelides et al. ‘ แผนภาพเฟสหลักการแรกของน้ำกักเก็บนาโนชั้นเดียว . ธรรมชาติ (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x
