Das Verständnis des Wasserverhaltens in Nanoporen ist sowohl für die Wissenschaft als auch für praktische Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Wissenschaftler der City University of Hong Kong (CityU) haben das bemerkenswerte Verhalten von Wasser und Eis unter hohem Druck und hoher Temperatur sowie starkem Einschluss aufgedeckt.
Die Studie mit dem Titel „Reichhaltige Protonendynamik und Phasenverhalten von nanobegrenztem Eis„, wurde veröffentlicht in Naturphysik.
Diese Erkenntnisse, die dem normalen Alltagsverhalten widersprechen, bergen ein enormes Potenzial für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser in extremen Umgebungen, beispielsweise im Kern entfernter Eisplaneten. Die Auswirkungen dieses großen wissenschaftlichen Fortschritts erstrecken sich über verschiedene Bereiche, darunter Planetenwissenschaften, Energiewissenschaften und Nanofluidtechnik.
Unter der Leitung von Professor Zeng Xiaocheng, Leiter und Lehrstuhlinhaber der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der CityU, setzte das Forschungsteam modernste Berechnungsmethoden ein, um die Eigenschaften von Wasser und Eis unter extremen Bedingungen zu simulieren.
Mithilfe des Potenzials des maschinellen Lernens, der Suche nach Kristallstrukturen, der pfadintegralen Molekulardynamik und der Metadynamik führten sie umfassende Simulationen von ein- und zweischichtigem Wasser unter Nanoeinschluss durch. Diese Simulationen enthüllten eine Reihe faszinierender Phänomene, darunter zweidimensionales (2D) Eis-Wasser-Schmelzen, neuartiges Eisverhalten, Wasserspaltung und Protonendynamik in Nanoeis.
Das Forschungsteam entdeckte 10 neue 2D-Eiszustände, die jeweils einzigartige Eigenschaften aufweisen. Insbesondere identifizierten sie zweidimensionales molekulares Eis mit einer symmetrischen OHO-Konfiguration, die an das 3D-Eis X mit der höchsten Dichte auf der Erde erinnert. Darüber hinaus beobachteten sie dynamisches, teilweise ionisches Eis und mehrere superionische Eisarten. Überraschenderweise konnten diese 2D-Eiszustände bei viel niedrigeren Drücken erzeugt werden als ihre 3D-Gegenstücke mit ähnlicher Wasserdichte, wodurch sie unter Laborbedingungen leichter zugänglich sind.
Professor Zeng betonte die Bedeutung dieser Erkenntnisse und erklärte, dass sie eine neue Grenze beim Verständnis der Physik und Chemie von Wasser und Eis unter extremen Bedingungen, insbesondere im Kern von Eisriesenplaneten, darstellen.
„Das Potenzial, diese einzigartigen Eis- und Wasserspaltungszustände im Labor zu erzeugen, einschließlich dynamischer, teilweise ionischer und superionischer Eise bei niedrigerem Druck als bisher für möglich gehalten, ist besonders aufregend“, sagte Professor Zeng.
Die Erforschung des Verhaltens von Wasser und Eis unter verschiedenen Bedingungen, insbesondere unter Berücksichtigung der Nanobeschränkung, ist eine äußerst komplexe Aufgabe.
Das Forschungsteam bewältigte diese Herausforderung durch eine umfangreiche Anzahl von Simulationen der Molekulardynamik und der pfadintegralen Molekulardynamik und generierte einen riesigen Datensatz. Das Extrahieren aussagekräftiger Erkenntnisse aus dieser enormen Datenmenge stellte eine erhebliche Herausforderung bei der Datenanalyse dar und erforderte eine sorgfältige Untersuchung.
Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für zukünftige Forschungen zu den Geheimnissen der Eisriesenplaneten und den grundlegenden Eigenschaften von Wasser. Die nächste Phase dieser Forschung umfasst die experimentelle Validierung der rechnerischen Vorhersagen und die Erforschung praktischer Anwendungen.
Professor Zeng zeigte sich begeistert über das Potenzial dieser Forschung, unser Verständnis von Wasser, Eis und Wasserspaltung in extremen Umgebungen zu vertiefen und gleichzeitig neue Grenzen in der Nanowissenschaft und Planetenforschung zu eröffnen.
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Jian Jiang et al., Rich Proton Dynamics and Phase Behaviours of nanoconfined Ices, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02341-8