Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Ny form for is: Firkantet isfylling for en grafensandwich

Anonim

Vann finnes i utallige former, og for både diktere og forskere er denne strukturelt enkle, men samtidig atferdsmessig komplekse molekyler aldri i stand til å fascinere. I vår hverdag er vi kjent med vann i sin mer vanlige væske-, is- og dampform. Forskere studerer også vann under mer ekstreme forhold, inkludert ved høyt trykk, hvor det kan eksistere i fast tilstand selv ved romtemperatur.

annonse


Iskrystaller dannes i de vakkert symmetriske tetraedrale former som ses i snøflak og på overflaten av frosne dammer. Slike geometrier kan vedvare ved svært høye trykk, selv om den underliggende strukturen gjennomgår fase endringer både subtile og dramatiske med varierende trykk. Dette gjelder absolutt for ubegrenset vann. Når det er begrenset mellom andre materialer, påvirkes imidlertid oppførselen av vann av atomiske samspill med materialoverflater. De mer vanlige iskrystaller kan da morph inn i noe helt annet.

Når vann er begrenset ved høyt trykk mellom ark av grafen - et enkeltatom-tykt arrangement av karbonatomer i et sekskantet gitter - antar dets molekyler en firkantet konfigurasjon. Dette er overraskende funn av forskere i Tyskland, Storbritannia og Kina.

Publisert i tidsskriftet Nature kan resultatene av studien, finansiert delvis av Graphene Flaggskip, forbedre vår forståelse av vanntransport gjennom nanometerskala kanaler i naturlige og kunstige membraner. For eksempel er den aquaporinproteinmedierte vannstrømmen over biologiske cellemembraner ned til en balanse mellom hydrofobe og hydrofile interaksjoner med kanaloverflater. Slike interaksjoner er avhengige av kjemiske bindinger mellom hydrogenatomer.

Med grafen 'porene' er situasjonen annerledes, fordi tverrsnittet er flatt i stedet for sirkulært. Også trykket som utøves på vannet, er så høy at hydrogenbindingsinteraksjoner med grafenoverflaten overvinnes av den attraktive van der Waals atominteraksjon som trekker sammen grafenplanene. Likevel er sammenligningen relevant, og bør legge til den vitenskapelige debatten om vannstrømning gjennom nanoskala kanaler og over membraner.

Ulm Universitetsfysikere Gerardo Algara-Siller og Ossi Lehtinen gjennomførte det siste eksperimentet, hvor et grafenmonolag ble deponert på et elektronmikroskoprutenett. Dette grafenlaget ble så utsatt for en liten mengde vann og dekket med et annet lag av grafen. Mye av vannet ble presset ut av graphen-smørbrødet av van der Waals-kraften; Resten ble fanget i lommer mindre enn en milliondel av en meter over.

"Gerardo Algara-Siller og Ossi Lehtinen gjennomførte forsøket og avbildet den ukjente isstrukturen mellom grafenark, " sa Ulm Universitetsprofessor Ute Kaiser, som ledet den tyske siden av samarbeidet. "Vi visste ikke først hva vi så, og bare i diskusjon med våre Manchester-kolleger var ideen om firkantet isbarn. En detaljert strukturell og elementær analyse viste da at denne strukturen var ekte."

Manchester-forbindelsen er signifikant, ikke minst på grunn av deltakelse i Irina Grigorieva, som har en spesiell interesse for molekylær- og partikkeltransport på tvers av membraner dannet av lagdelte materialer som grafen. Forskere har lenge forsøkt å forstå strukturen og oppførselen til vann som er begrenset i smale kanaler. Studien har til nå bare vært mulig i datasimuleringer, hvor resultatene sjelden er enige med hverandre.

Grigorieva's Manchester-kollega Andre Geim, som delte Nobelprisen i fysikk i 2010 for sitt pionerarbeid på grafen, er en annen medforfatter av det nye Naturpapiret . Geim og andre hadde tidligere spekulert på at observasjoner av ultrafast vannstrømning gjennom grafen nanokapillarier kunne skyldes todimensjonal firkant is. Den nye forskningen ser ut til å bekrefte hypotesen, selv om den detaljerte opprinnelsen til denne merkelige strukturen forblir et mysterium.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Graphene Flagship . Opprinnelig skrevet av Francis Sedgemore. Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. G. Algara-Siller, O. Lehtinen, FC Wang, RR Nair, U. Kaiser, HA Wu, AK Geim, IV Grigorieva. Kvadratisk is i grafen nanokapillarier . Nature, 2015; 519 (7544): 443 DOI: 10, 1038 / nature14295