In einer neuen Entdeckung haben Forscher neue Einblicke in das Verhalten von Wassermolekülen gewonnen, die in Nanostrukturen eingeschlossen sind. Ihr Studium, veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte am 24. April befasst sich mit der Frage, wie Terahertz-Wellen (THz) die Dynamik von Wassermolekülen beeinflussen, die in zweidimensionalen (2D) Räumen in Nanoresonatoren eingeschlossen sind.
Das multidisziplinäre Team – unter der Leitung von Professor Hyeong-Ryeol Park und bestehend aus Professor Jeeyoon Jeong (UNIST), Professor Dai-Sik Kim (UNIST), Professor Noejung Park (UNIST), Professor Joonwoo Jeong (UNIST) und Professor Kyungwan Kim (Chungbuk National University). und Professor Yun Daniel Park (Seoul National University) – verwendeten innovative Techniken, um die Dynamik von Wassermolekülen auf nanoskaliger Ebene zu untersuchen.
Durch die Verwendung metallischer Schleifen-Nanolücken zur Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkungen führte das Team eine umfassende Analyse von nanobegrenztem Wasser über unterschiedliche Lückenbreiten im Bereich von 2 bis 20 Nanometern (nm) durch. Ihre experimentellen Ergebnisse werfen Licht auf das Zusammenspiel zwischen Grenzflächeneffekten und Einschlusseffekten auf die komplexen Brechungsindizes von nanobegrenztem Wasser und zeigen die Unterdrückung niederenergetischer Schwingungsmoden selbst bei größeren Spaltbreiten.
Der Hauptautor Hyosim Yang von UNIST hob die Bedeutung der Studie hervor und betonte die Erforschung der Dynamik von Wassermolekülen in engen Lücken bei hohen THz-Frequenzen, wodurch neuartige Phänomene aufgedeckt wurden, die bisher unerforscht waren.
Die Nutzung der Atomschicht-Lithographietechnologie durch das Team ermöglichte die Herstellung von Nanoresonatoren mit beispielloser Präzision und ermöglichte eine höhere Empfindlichkeit bei der Messung der molekularen Bewegung.
Ihre Ergebnisse bestätigten nicht nur die Unterdrückung der kollektiven Pikosekundendynamik von Wassermolekülen durch Grenzflächeneffekte in Lücken unter 2 Nanometern, sondern lieferten auch interessante Einblicke in die Verringerung der Clusterbewegung bei größeren Lückenbreiten.
Co-Autor Gangseon Ji von UNIST hob die Implikationen der Forschung hervor und erklärte: „Diese Studie deckt die doppelten Auswirkungen von Grenzflächen- und Einschlussmechanismen auf die Wasserdynamik in nanobegrenzten Räumen auf und bietet neue Perspektiven für das festkörperähnliche Verhalten eingeschlossener Wassermoleküle.“
Professor Park betonte die umfassenderen Auswirkungen der Studie und verwies auf mögliche Anwendungen bei der Untersuchung superionischer Phasen von 2D-Wassermolekülen und der Untersuchung der Molekulardynamik in Lösungsmitteln wie DNA und RNA.
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Hyosim Yang et al., Unterdrückte Terahertz-Dynamik von Wasser, das in Nanometerlücken eingeschlossen ist, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adm7315