Neue Wasserphasen erkannt

Wissenschaftler der University of Cambridge haben entdeckt, dass Wasser in einer Ein-Molekül-Schicht weder wie eine Flüssigkeit noch wie ein Feststoff wirkt und dass es bei hohen Drücken sehr leitfähig wird.

Es ist viel darüber bekannt, wie sich „Massenwasser“ verhält: Es dehnt sich aus, wenn es gefriert, und es hat einen hohen Siedepunkt. Aber wenn Wasser auf die Nanoskala komprimiert wird, ändern sich seine Eigenschaften dramatisch.

Durch die Entwicklung einer neuen Methode zur Vorhersage dieses ungewöhnlichen Verhaltens mit beispielloser Genauigkeit haben die Forscher mehrere neue Wasserphasen auf molekularer Ebene entdeckt.

Wasser, das zwischen Membranen oder in winzigen Hohlräumen im Nanomaßstab eingeschlossen ist, ist weit verbreitet – es kann in allem gefunden werden, von Membranen in unserem Körper bis hin zu geologischen Formationen. Aber dieses nanobegrenzte Wasser verhält sich ganz anders als das Wasser, das wir trinken.

Bisher haben die Herausforderungen der experimentellen Charakterisierung der Wasserphasen im Nanomaßstab ein vollständiges Verständnis seines Verhaltens verhindert. Aber in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturbeschreibt das von Cambridge geleitete Team, wie es Fortschritte bei Computeransätzen genutzt hat, um das Phasendiagramm einer Wasserschicht mit einer Dicke von einem Molekül mit beispielloser Genauigkeit vorherzusagen.

Sie verwendeten eine Kombination von Computeransätzen, um die Untersuchung einer einzelnen Wasserschicht auf der Ebene der ersten Prinzipien zu ermöglichen.

Die Forscher fanden heraus, dass Wasser, das in einer ein Molekül dicken Schicht eingeschlossen ist, mehrere Phasen durchläuft, darunter eine „hexatische“ Phase und eine „superionische“ Phase. In der hexatischen Phase wirkt das Wasser weder als Feststoff noch als Flüssigkeit, sondern als etwas dazwischen. In der superionischen Phase, die bei höheren Drücken auftritt, wird das Wasser hochleitfähig und treibt Protonen schnell durch Eis, ähnlich dem Fluss von Elektronen in einem Leiter.

Das Verständnis des Verhaltens von Wasser im Nanomaßstab ist für viele neue Technologien von entscheidender Bedeutung. Der Erfolg medizinischer Behandlungen kann davon abhängen, wie Wasser, das in kleinen Hohlräumen in unserem Körper eingeschlossen ist, reagiert. Die Entwicklung hochleitfähiger Elektrolyte für Batterien, die Wasserentsalzung und der reibungslose Transport von Flüssigkeiten hängen alle davon ab, wie sich begrenztes Wasser verhalten wird.

„Für all diese Bereiche ist das Verständnis des Verhaltens von Wasser die grundlegende Frage“, sagte Dr. Venkat Kapil vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, der Erstautor der Veröffentlichung. „Unser Ansatz ermöglicht die Untersuchung einer einzelnen Wasserschicht in einem graphenähnlichen Kanal mit beispielloser Vorhersagegenauigkeit.“

Die Forscher fanden heraus, dass die ein Molekül dicke Wasserschicht innerhalb des Nanokanals ein reiches und vielfältiges Phasenverhalten zeigte. Ihr Ansatz sagt mehrere Phasen voraus, darunter die hexatische Phase – ein Zwischenprodukt zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit – und auch eine superionische Phase, in der das Wasser eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

„Die hexatische Phase ist weder ein Feststoff noch eine Flüssigkeit, sondern ein Zwischenprodukt, was mit früheren Theorien über zweidimensionale Materialien übereinstimmt“, sagte Kapil. „Unser Ansatz legt auch nahe, dass diese Phase experimentell beobachtet werden kann, indem Wasser in einem Graphenkanal eingeschlossen wird.

„Die Existenz der superionischen Phase unter leicht zugänglichen Bedingungen ist eigenartig, da diese Phase im Allgemeinen unter extremen Bedingungen wie dem Kern von Uranus und Neptun vorkommt. Eine Möglichkeit, diese Phase zu visualisieren, besteht darin, dass die Sauerstoffatome ein festes Gitter bilden und Protonen fließen wie eine Flüssigkeit durch das Gitter, wie Kinder, die durch ein Labyrinth rennen.“

Die Forscher sagen, dass diese superionische Phase für zukünftige Elektrolyt- und Batteriematerialien wichtig sein könnte, da sie eine 100- bis 1.000-mal höhere elektrische Leitfähigkeit als aktuelle Batteriematerialien aufweist.

Die Ergebnisse werden nicht nur helfen zu verstehen, wie Wasser im Nanomaßstab funktioniert, sondern legen auch nahe, dass „Nanoeinschluss“ ein neuer Weg sein könnte, um das superionische Verhalten anderer Materialien zu finden.