Su, neredeyse her diğer maddenin üzerinde çalışılmış bir maddedir, ancak bilim adamları, suyun küçük alanlarda davranışını anlamak için yıllarca süren bir tartışmayı sürdürmüşlerdir. Şimdi, bir yeni çalışma, bu soruya daha nuanced bir cevap vererek, yıllarca süren çelişkili sonuçları çözmeye yardımcı oldu.
Su Bölünmesinin Önemi
Su, H3O+ (hidronyum iyonu) ve OH- (hidroksit iyonu) olmak üzere iki charged parçacığa bölünebilen bir maddedir. Bu işlem, pH'ı belirler ve asit-baz kimyasında merkezi bir rol oynar. Bu, hücrelerinizi işlevsel tutan enzimlerden, pillerde meydana gelen reaksiyonlara kadar her şeyi etkiler.
Bilim adamları, suyun küçük alanlara sıkıştırılmasının bu bölünme işlemini nasıl etkilediğini belirlemeye çalıştılar.
Araştırmacılar, suyun küçük alanlara sıkıştırılmasının, yoğunluk, gözenek boyutu, duvar esnekliği ve yüzey kimyası gibi faktörlere bağlı olarak değişebileceğini buldular.
"Eşdeğer termodinamik koşullarda - özellikle aynı kimyasal potansiyellerde - sistemleri karşılaştırdığımızda, sıkıştırma etkisinin büyük ölçüde ortadan kalktığını gördük. Başka bir deyişle, sıkıştırma alone suyun reaktivitesini intrinsik olarak değiştirmez. Bu, neden son on yılda çelişkili sonuçlar elde edildiğini açıklar" dedi Xavier R. Advincula, çalışmanın baş yazarı.
Makine Öğrenimi, Kayıp Parçayı Açıkladı
Araştırmacılar, problemi incelemek için, kuantum mekaniksel doğruluğu yeniden üretebilen makine öğrenimi simülasyonlarına başvurdu. Su, grafen ve heksagonal bor nitrür (hBN) arasında sıkıştırıldı.
Simülasyonlar, su damlacıklarının bu malzemeler arasında sıkıştırıldığında, çok yüksek iç basınçlara maruz kaldıklarını gösterdi. Grafen veya hBN arasında sıkıştırılmış su, birkaç gigapaskal basınçlara ulaşabilir, bu da Dünya'nın derinlerinde bulunan basınçlara benzer.
Basınç, Sıkıştırma Değil, Su Reaktivitesini Sürdürür
Araştırmacılar, bu yüksek basınçların su moleküllerinin bölünmesini büyük ölçüde artırdığını buldular.
Fakat, sıkıştırılmış su ile aynı basınçta ordinary bulk su karşılaştırıldığında, her iki su da esasen aynı şekilde davrandı. Bu, artan reaktivitenin, sıkıştırma alone değil, basınç itselften kaynaklandığını gösterdi.
"Bizi en çok şaşırtan, termodinamiğin ne kadarının açıklanabildiği idi. Basınç ve kimyasal potansiyel doğru bir şekilde hesaplandığında, karmaşıklığın büyük bir kısmı basitçe yerine oturur" dedi Prof Angelos Michaelides, Cambridge Üniversitesi'nden.
Yüzey Kimyası Hala Önemli Bir Rol Oynar
Su, küçük alanlara sıkıştırıldığında, surrounding malzeme suyun kimyasını hala etkileyebilir.
hBN ile sıkıştırılmış su damlacıklarında, hidroksit iyonları (OH- ) surrounding malzeme ile kimyasal olarak bağlandı. Bu, iyonları stabilize etti, suyun bölünmesi için gereken enerjiyi azalttı ve dissociasyon miktarını artırdı.
Aynı etki, grafen ile gözlenmedi, çünkü grafenin kimyasal olarak inert yüzeyi reaksiyona katılmaz.
Sonuçlar, surrounding malzemenin sıkıştırılmış suyun kimyasal davranışını aktif olarak şekillendirebileceğini gösterdi.
"Bu araştırma, nanoscale su kimyasını anlamak için yeni bir çerçeve sağlar ve on yıl süren çelişkili çalışmaların nedenini açıklar" dedi Dr. Christoph Schran, Cavendish Laboratory'den.
"Daha da önemlisi, bu çalışma, nanoscale kimyasal ortamları tasarlamak için pratik bir ilke sağlar. Gözenek boyutu veya kanalların boyutuna odaklanmak yerine, su reaktivitesini, surrounding malzemenin yüzey kimyasını ve sıkıştırılmış alanlarda oluşan basınçları kontrol ederek tasarlayabiliriz" dedi.
Potansiyel Uygulamalar, Enerji Teknolojisinde
Bulunanlar, hidrojen yakıt hücreleri, piller, iyon seçici membranlar ve katalitik sistemler gibi teknolojilerde önemli etkileri olabilir.
Araştırmacılar, şimdi daha gerçekçi ortamları incelemeye planlıyorlar, bunlar pratik malzemelerde bulunan defekt ve kenarlar dahil. Ayrıca, advanced spektroskopik ve nanofluidik teknikler kullanarak laboratuvar ölçümleri ile kendi tahminlerini karşılaştırmayı umuyorlar.
Aynı zamanda, ekip, su reaktivitesini artırmak veya azaltmak için spesifik teknolojik uygulamalar için iki boyutlu malzemeler ve yüzey kimyaları kombinasyonlarını taramaya devam ediyor.
