Вода делает что-то очень странное, когда попадает в крошечные отверстия
Вплоть до клеточного уровня жизни для выживания необходима вода.
Чтобы предсказать, как жидкая H2O протискивается через трубопроводы молекулярного масштаба, требуется уровень моделирования, который в настоящее время облагаются налогом даже самые мощные компьютеры.
Поэтому исследователи в США обратились к машинному обучению, чтобы выяснить, как изменяются электрические свойства воды, когда она оказывается в цилиндрах нанометрового размера, сделанных из чистого углерода.
Не позволяйте кажущейся простоте воды обмануть вас. Внутри каждой молекулы есть один-единственный кислород, который издевается над своими водородными помощниками в течение большей, чем положенная ему доля электронного времени, создавая дисбаланс заряда, называемый диполем.
Этот дисбаланс придает воде смесь необычных свойств, позволяя он может свободно слипаться друг с другом таким образом, что учитывается поверхностное натяжение, или растекаться в самые разнообразные образования при замерзании в лед.
Молекулы воды, упакованные внутри гидрофобной углеродной нанотрубки, которую вирус садового сорта может посчитать идеальным размером для кофейной кружки, благодаря этому усиливают взаимодействие с электрическим полем. к их удержанию.
Точное знание того, как и почему это происходит, не было полностью описано.
«Необходимо понять способность ограниченной жидкости экранировать электрические поля и как это происходит. варьируется в зависимости от объемной среды», — говорит ведущий автор Маркос Калегари Андраде, ученый-материаловед из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL).
«Улучшение понимания диэлектрического отклика замкнутой воды важно не только для продвижения технологии разделения, но и для других новых приложений, таких как хранение и преобразование энергии».
Диэлектрический эффект описывает, как такие материалы, как вода, реагируют на электрические поля. Там, где проводящие материалы, такие как медные провода, передают электрические заряды в форме тока, заряженные компоненты диэлектрических материалов поворачиваются, выравниваясь таким образом, что возвращаются в более широкое электрическое поле.
Упаковка молекул воды в углеродные нанотрубки диаметром менее 10 нанометров в прошлом обнаруживали новые фазы воды и, как было показано, способствовали гораздо более быстрому переносу протонов вниз по одномерным цепочкам молекул воды.
Увеличение размера пор также намекает на это. при формировании ледяных структур, которые невозможно увидеть в больших водоемах.
Однако применить теоретическую основу для объяснения этих экспериментальных результатов легче сказать, чем сделать. Можно построить относительно полную картину молекулярного поведения, построив моделирование на основе основных принципов, но только для нескольких сотен атомов в течение крошечных долей секунды.
Для определения диэлектрических проницаемостей, действующих в других направления через камеру, исследователи реализовали фундаментальные принципы с помощью процесса машинного обучения. Это позволило получить более полную картину, включая квантовые эффекты для расчета потенциальной энергии и описания колебаний отдельных молекул.
Их подход выявил электронную структуру, которая не была бы очевидна при обычном моделировании: структура, которая строится параллельно стенкам трубки, идущей вдоль оси столба воды.
В их моделировании диэлектрическая проницаемость на оси углеродных нанотрубок увеличивалась по мере уменьшения диаметра трубок. Максимальный размер составляет 0,79 нанометра, когда молекулы воды вынуждены выстраиваться в один ряд.
Картирование усиления диэлектрического эффекта воды в таких малых масштабах может дать молекулярным биологам важные подсказки. на потоке воды и других материалов через крошечные клеточные каналы или помочь исследователям разработать фармацевтические препараты, которые могли бы действовать более эффективно в растворах, заключенных в небольших пространствах.
«Фундаментальные исследования влияния ограничения на диэлектрическую проницаемость воды полезны. понять и улучшить современные технологии», — говорит Ань Фам, специалист по вычислительным материалам из LLNL.
Это исследование было опубликовано в The Journal of Physical Chemistry Letters.
