Niezwykłe zachowanie wody w nanorurkach

Na poziomie morza woda zaczyna wrzeć w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Nie od dzisiaj wiadomo też, że jeśli wodę umieścimy w bardzo małej przestrzeni, zmienia się jej temperatura wrzenia i zamarzania, spadając o około 10 stopni. Teraz naukowcy z MIT zaobserwowali nowe niespodziewane zachowanie się wody.

Po umieszczeniu w węglowych nanorurkach woda zamarza nawet w temperaturze, w której powinna wrzeć. Odkrycie to pokazuje, że zachowanie się materiałów ulega drastycznym zmianom gdy umieścimy je w strukturach o pojemności liczonej w nanometrach. Może też doprowadzić ono do powstania nowych urządzeń, takich jak np. wypełnione lodem przewody, które będą wykorzystywały właściwości elektryczne i termiczne lodu pozostając stabilne w temperaturze pokojowej. Gdy umieścimy płyn w nanoprzestrzeniach zaburzamy jego przejścia fazowe - mówi profesor Michael Strano.

Naukowcy spodziewali się takiego zachowania, jednak zaskoczyła ich wielkość zmian oraz ich kierunek. Sądzili, że nanoprzestrzeń obniży, a nie podniesie, punkt zamarzania wody. Podczas jednego z testów stwierdzono, że woda zamarzła w temperaturze pomiędzy 105 a 151 stopni Celsjusza. Zjawisko to było silniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał - mówi Strano. Co więcej, kolosalne zmiany wynikały z niewielkich różnic w średnicy nanorurek. Różnica w punkcie zamarzania wody pomiędzy nanorurkami o średnicy 1,05 a 1,06 nanometra wynosiła dziesiątki stopni Celsjusza. Wszystkie założenia się sypią, gdy dochodzimy do naprawdę małych rozmiarów. To całkowicie niezbadany teren - stwierdza uczony.

Już wcześniej różne zespoły naukowe próbowały przeprowadzić podobne eksperymenty, jednak dawały one sprzeczne wyniki. Jedną z przyczyn był fakt, że niewiele grup naukowych jest w stanie tak precyzyjnie mierzyć nanorurki, nikt nie zdawał sobie sprawy, że tak minimalne różnice w wymiarach mogą odgrywać tak wielką rolę, stąd problemy z uzyskiwanymi wynikami.

Jak zauważa profesor Strano, zadziwiający jest już fakt, że do nanorurek udaje się wprowadzić wodę. Węglowe nanorurki są uważane za materiał hydrofobowy, więc nie do końca wiadomo, w jaki sposób woda trafia do ich wnętrza.

Zespół Strano wykorzystał technikę zwaną spektroskopią wibracyjną, która pozwala na śledzenie molekuł wody wewnątrz nanorurek. Dzięki niej jako pierwszy był w stanie przeprowadzić precyzyjne pomiary, nie tylko potwierdzające, że woda znajduje się w nanorurkach, ale pozwalające również na określenie jej fazy. Możemy stwierdzić, czy jest tam płyn, gaz czy ciało stałe - mówi Strano. Naukowcy unikają używania w tym wypadku słowa "lód", gdyż jest ono zarezerwowane dla określonej struktury krystalicznej, a jeszcze nie udało się wykazać, że powstaje ona w nanorurkach. To niekoniecznie jest lód, ale jest to faza podobna do lodu - wyjaśnia Strano.

Okazało się też, że takie ciało stałe roztapia się w temperaturze dużo wyższej od temperatury topnienia lodu, dlatego też powinno być ono niezwykle stabilne w temperaturze pokojowej. Mogą dzięki temu powstać 'lodowe kable', które będą świetnie przewodziły protony, gdyż woda przewodzi je co najmniej 10-krotnie lepiej niż typowe materiały przewodzące. W ten sposób uzyskamy bardzo stabilne wodne kable - dodaje profesor Strano.

woda nanorurka faza punkt wrzenia punkt zamarzania temperatura