Studie enthüllt dielektrische Reaktion von Wasser in Nanoporen

Wenn Wasser in Nanoporen mit einer Größe von weniger als 10 Nanometern eindringt, ergeben sich neue physikalische Phänomene: Es wurden neue Phasen von Eis beobachtet und ultraschneller Protonentransport gemessen. Eingeschlossenes Wasser spielt auch in der Biologie eine Rolle, wo Aquaporine Zellmembranen durchdringen und so den spezifischen Transport von Wasser und anderen kleinen Molekülen durch nanometergroße Kanäle ermöglichen.

Allerdings fehlt in diesem Bereich ein grundlegendes Verständnis darüber, wie sich die Einschließung auf die Fähigkeit des Wassers auswirkt, ein elektrisches Feld innerhalb eindimensionaler Poren abzuschirmen.

Um diese Herausforderung zu lösen, griffen Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und ein Mitarbeiter der University of Texas in Austin auf Simulationen zurück, um die Reaktion erster Ordnung von eingeschlossenem Wasser auf angelegte elektrische Felder zu erklären. Forschung erscheint auf dem Cover von Zeitschrift für Physikalische Chemie.

Die Autoren haben eine Steigerung der Fähigkeit von Wasser festgestellt, elektrische Felder abzuschirmen, die entlang der Achse der eindimensionalen Nanopore angelegt werden. Diese Verbesserung ergibt sich aus einer längeren Reichweite der Wasserdipole unter Einschluss relativ zur Gesamtflüssigkeit, was unter extremem Einschluss sogar zur Bildung exotischer Wasserphasen (ferroelektrisches Eis) führt.

„Es ist notwendig, die Fähigkeit der eingeschlossenen Flüssigkeit zu verstehen, elektrische Felder abzuschirmen und wie diese von der Umgebung abweicht“, sagte Marcos Calegari Andrade, Wissenschaftler am LLNL und Hauptautor des Artikels. „Ein besseres Verständnis der dielektrischen Reaktion von eingeschlossenem Wasser ist nicht nur für die Weiterentwicklung von Trenntechnologien wichtig, sondern auch für andere neue Anwendungen wie Energiespeicherung und -umwandlung.“

Nanoporen, die kleiner als 10 Nanometer sind, haben eine vielversprechende Ionenselektivität für Anwendungen von der Wasserentsalzung bis zu Geräten zur photochemischen Wasserspaltung gezeigt.

„Grundlegende Studien zum Einschlusseffekt auf die Dielektrizitätskonstante von Wasser sind hilfreich, um aktuelle Technologien zu verstehen und zu verbessern“, sagte LLNL-Wissenschaftler Anh Pham, Co-Autor des Papiers.

In der neuen Forschung untersuchte das Team die Rechenleistung des maschinellen Lernens (ML), um den hydrophoben Nanoconfinement-Effekt auf die dielektrischen Eigenschaften von Wasser aus einem auf ersten Prinzipien basierenden Ansatz abzuleiten. Das ML ermöglichte es dem Team, die potenzielle Energieoberfläche des Systems sowie den molekularen Dipol von Wasser vorherzusagen, und zwar beide mit der Genauigkeit quantenmechanischer Berechnungen.

„Unsere Arbeit zeigt besondere Auswirkungen der eindimensionalen hydrophoben Nanobeschränkung nicht nur auf die Dielektrizitätskonstante, sondern auch auf die elektronische Struktur des Wassers, die mit Simulationen auf Basis herkömmlicher parametrischer Kraftfelder nicht beobachtet werden können“, sagte Calegari Andrade.