เมื่อน้ำถูกขังอยู่ในโพรงแคบๆ ระดับนาโน น้ำจะเข้าสู่เฟสขั้นกลางที่ไม่ใช่ของแข็งหรือของเหลว แต่อยู่ตรงกลางระหว่างนั้น นี่คือการค้นพบของทีมนักวิจัยนานาชาติที่ใช้สถิติฟิสิกส์ กลศาสตร์ควอนตัม และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อศึกษาว่าคุณสมบัติของน้ำเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อถูกกักขังในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนี้ จากการวิเคราะห์แผนภาพเฟสความดัน-อุณหภูมิของน้ำกักขังระดับนาโนตามที่ทราบกัน
ทีมวิจัย
พบว่าน้ำดังกล่าวมีเฟส “เฮกซาติก” ระดับกลางและยังมีความนำไฟฟ้าสูงอีกด้วยคุณสมบัติของน้ำในระดับนาโนอาจแตกต่างจากที่เราเชื่อมโยงกับน้ำปริมาณมาก ท่ามกลางคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่นๆ น้ำระดับนาโนมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำผิดปกติ ไหลแทบไม่มีแรงเสียดทาน และสามารถดำรงอยู่ได้
ในเฟสน้ำแข็งสี่เหลี่ยมการศึกษาน้ำกักเก็บระดับนาโนมีประโยชน์ในการใช้งานจริงที่สำคัญ น้ำส่วนใหญ่ในร่างกายของเราถูกกักขังอยู่ในโพรงแคบๆ เช่น ช่องว่างภายในเซลล์ ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และในเส้นเลือดฝอยขนาดเล็ก หัวหน้าทีม นักเคมีเชิงทฤษฎีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุแห่งมหาวิทยาลัย
เคมบริดจ์ สหราชอาณาจักรกล่าว เช่นเดียวกับน้ำที่ขังอยู่ในหินหรือขังอยู่ในคอนกรีต ดังนั้นการทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำนี้จึงอาจเป็นศูนย์กลางของชีววิทยา วิศวกรรมศาสตร์ และธรณีวิทยา นอกจากนี้ยังอาจมีความสำคัญต่อการพัฒนาอุปกรณ์นาโนที่เป็นน้ำในอนาคต และสำหรับการใช้งานต่างๆ
เช่น นาโนฟลูอิดิกส์ วัสดุอิเล็กโทรไลต์ และการแยกเกลือออกจากน้ำในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ประดิษฐ์เส้นเลือดฝอยที่ไม่ชอบน้ำด้วยขนาดนาโน สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถวัดคุณสมบัติของน้ำเมื่อผ่านช่องทางที่แคบมากจนโมเลกุลของน้ำไม่มีพื้นที่เพียงพอที่จะแสดงรูปแบบพันธะไฮโดรเจนตามปกติ
หนาเพียงหนึ่งโมเลกุลในงานล่าสุด Kapil และเพื่อนร่วมงานศึกษาน้ำที่ขังอยู่ระหว่างแผ่นกราฟีนสองแผ่น เพื่อให้ชั้นน้ำมีความหนาเพียงหนึ่งโมเลกุล โดยใช้การจำลองอะตอมซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อจำลองพฤติกรรมของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสทั้งหมดในระบบ พวกเขาคำนวณไดอะแกรมเฟสความดัน
อุณหภูมิของน้ำ
แผนภาพนี้ซึ่งแสดงอุณหภูมิบนแกนหนึ่งและความดันอีกแกนหนึ่ง เผยให้เห็นเฟสของน้ำที่เสถียรที่สุดในสภาวะความดัน-อุณหภูมิที่กำหนดการจำลองเหล่านี้มักจะมีราคาแพงมากในการคำนวณ ดังนั้นเราจึงรวมวิธีการอันล้ำสมัยมากมายที่อิงจากสถิติฟิสิกส์ กลศาสตร์ควอนตัม และการเรียน
รู้ของเครื่องเพื่อลดค่าใช้จ่ายนี้” “การประหยัดการคำนวณเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถจำลองระบบอย่างเข้มงวดที่ความดันและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และประเมินเฟสที่เสถียรที่สุด”นักวิจัยพบว่าน้ำชั้นเดียวมีพฤติกรรมของเฟสที่หลากหลายอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งมีความไวสูงต่ออุณหภูมิและความดัน
ที่กระทำภายในช่องนาโน ในบางระบบจะแสดงเฟส “เฮกซาติก” ซึ่งเป็นช่วงกลางระหว่างของแข็งและของเหลวตามที่คาดการณ์ไว้โดยทฤษฎีที่เรียกว่า KTHNY ซึ่งอธิบายการหลอมละลายของคริสตัลในการกักเก็บแบบ 2 มิติ ทฤษฎีนี้ทำให้นักพัฒนาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2559
จากการพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมเฟสของของแข็ง 2 มิติการนำไฟฟ้าสูงนักวิจัยสังเกตว่าน้ำที่กักเก็บในระดับนาโนมีความนำไฟฟ้าสูง โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแบตเตอรี่ 10-1,000 เท่า พวกเขายังพบว่ามันไม่มีอยู่ในระยะโมเลกุล “อะตอมของไฮโดรเจนเริ่มเคลื่อนที่
เกือบจะเหมือน
ของเหลวแม้ว่าจะมีตาข่ายออกซิเจน พูดเหมือนเด็ก ๆ ที่วิ่งผ่านเขาวงกต” คาพิลอธิบาย “ผลลัพธ์นี้น่าทึ่งมาก เนื่องจากเฟสซุปเปอร์ไอออนแบบ ‘ปริมาณมาก’ แบบเดิมนั้นคาดว่าจะมีความเสถียรในสภาวะที่รุนแรง เช่น ภายในของดาวเคราะห์ยักษ์เท่านั้น เราสามารถทำให้มันเสถียรได้ภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง
“ดูเหมือนว่าการจำกัดวัสดุในแบบ 2 มิติสามารถนำไปสู่คุณสมบัติที่น่าสนใจมากๆ หรือคุณสมบัติที่วัสดุจำนวนมากจะแสดงในสภาวะที่รุนแรงเท่านั้น” เขากล่าวต่อ “เราหวังว่าการศึกษาของเราจะช่วยเปิดเผยวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตาม เป้าหมายที่ใหญ่กว่าของเราคือการเข้าใจน้ำ
หวังที่จะสังเกตขั้นตอนที่พวกเขาได้จำลองขึ้นในการทดลองในโลกแห่งความเป็นจริง “เรากำลังศึกษาวัสดุ 2 มิตินอกเหนือจากวัสดุที่มีลักษณะเหมือนกราฟีน เนื่องจากโดยหลักการแล้วระบบเหล่านี้สามารถสังเคราะห์และศึกษาในห้องปฏิบัติการได้” คาพิลเผย “จึงควรทำการเปรียบเทียบแบบตัวต่อตัว
การทดลอง (ต่อน้ำหนักบรรทุก 1 กิโลกรัม) ) โดยมีแผนจะลดขนาดลงตามลำดับความสำคัญ สิ่งที่ถือว่าเป็นข้อจำกัดหลักเกี่ยวกับค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวนั้น แท้จริงแล้วไม่ใช่ปัญหาอีกต่อไปไม่ใช่ว่าค่าใช้จ่ายในการส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศเป็นเพียงจุดเดียว แนวคิดดั้งเดิมของ Glaser นั้นเรียบง่ายจนน่าเหลือเชื่อ
โดยมีความท้าทายซ่อนอยู่มากมาย สำหรับผู้เริ่มต้น เมื่อดาวเทียมโคจรรอบโลก มุมระหว่างดวงอาทิตย์ ยาน และจุดบนโลกที่พลังงานถูกส่งไปจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น หากดาวเทียมระบุตำแหน่งหยุดนิ่งอยู่บนโลก เซลล์แสงอาทิตย์จะหันเข้าหาดวงอาทิตย์ในเวลาเที่ยงวัน
แต่หันหลังให้ดวงอาทิตย์ในเวลาเที่ยงคืน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดาวเทียมจะไม่ผลิตไฟฟ้าตลอดเวลาวิธีแก้ปัญหาเดิมคือการหมุนแผงเซลล์แสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องเมื่อเทียบกับเครื่องส่งสัญญาณไมโครเวฟ ซึ่งจะคงที่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะชี้ไปที่ดวงอาทิตย์เสมอ ในขณะที่เครื่องส่งสัญญาณจะหันเข้าหา
เสมอ ที่ไม่ต้องใช้กระจกเงาไปจนถึงเชิงลบภายนอกในการพัฒนาวิทยาศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น และความหลงใหลที่มีต่อทั้งสองอย่าง ได้กล่าวไว้อย่างฉะฉานแล้ว ทุกสิ่งที่เขาจำเป็นต้องพูดข้ามนิ้ว”โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ภายใต้เงื่อนไขที่ซับซ้อนมาก เช่น ภายในร่างกายของเรา”ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัย
