Su Küçük Deliklerde Sıkıştığında Çok Tuhaf Bir Şey Yapıyor

Sıvı H2O'nun moleküler ölçekli tesisatlarda nasıl sıkıştığını tahmin etmek, şu anda en güçlü bilgisayarları bile zorlayan bir simülasyon seviyesi gerektiriyor.

Bu nedenle ABD'deki araştırmacılar, saf karbondan yapılmış nanometre boyutundaki silindirlerin içine hapsedildiğinde suyun elektriksel özelliklerinin nasıl değiştiğini anlamak için makine öğrenimine başvurdular.

Suyun görünürdeki basitliği sizi yanıltmasın. Her molekülün içinde, elektron zamanının adil payından daha fazlası için hidrojen yardımcılarına zorbalık eden tek bir oksijen vardır ve bu da dipol olarak adlandırılan bir yük dengesizliği yaratır.

Bu dengesizlik suya alışılmadık özellikler kazandırarak yüzey gerilimini açıklayacak şekilde gevşekçe birbirine yapışmasına ya da donarak buz haline geldiğinde çok çeşitli formasyonlarda yayılmasına olanak tanır.

Bahçe tipi bir virüsün bir kahve fincanı için mükemmel boyut olarak görebileceği hidrofobik bir karbon nanotüpün içine paketlenen su molekülleri, hapsedilmeleri sayesinde bir elektrik alanıyla etkileşimlerini artırıyor.

Bunun tam olarak nasıl ve neden gerçekleştiği henüz tam olarak açıklanabilmiş değil.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda (LLNL) malzeme bilimcisi olan başyazar Marcos Calegari Andrade, "Hapsedilmiş sıvının elektrik alanlarını perdeleme yeteneğini ve bunun yığın ortamından nasıl değiştiğini anlamak gerekiyor" diyor.

"Kapalı suyun dielektrik tepkisinin daha iyi anlaşılması, yalnızca ayırma teknolojilerinin geliştirilmesi için değil, aynı zamanda enerji depolama ve dönüştürme gibi yeni ortaya çıkan diğer uygulamalar için de önemlidir."

Dielektrik etki, su gibi malzemelerin elektrik alanlarına nasıl tepki verdiğini açıklar. Bakır teller gibi iletken malzemelerin elektrik yüklerini bir akım şeklinde aktardığı yerlerde, dielektrik malzemelerin yüklü bileşenleri kendilerini daha geniş elektrik alanına geri besleyecek şekilde hizalamak için dönerler.

Su moleküllerinin çapı 10 nanometreden daha dar olan karbon nanotüplere paketlenmesi geçmişte suyun yeni fazlarını ortaya çıkarmış ve protonların tek boyutlu su molekülü zincirlerine çok daha hızlı bir şekilde aktarılmasını kolaylaştırdığı gösterilmiştir.

Gözenek boyutunun genişletilmesi, daha büyük su kütlelerinde görülmeyen buz yapılarının oluşumuna da işaret etmiştir.

Ancak bu deneysel sonuçları açıklamak için teorik bir çerçeve uygulamak, söylemekten daha kolay. İlk prensiplerden simülasyonlar oluşturarak moleküler davranışın nispeten eksiksiz bir resmini oluşturmak mümkündür, ancak sadece birkaç yüz atom için saniyenin küçük bir kesirinin zaman ölçeklerinde.

Araştırmacılar, oda boyunca diğer yönlerde ilerleyen dielektrik sabitlerini belirlemek için temel ilkeleri bir makine öğrenimi sürecinden geçirdiler. Bu, potansiyel enerjiyi hesaplamak ve tek tek moleküllerin yalpalamasını tanımlamak için kuantum etkilerini içeren daha eksiksiz bir resim elde edilmesini sağladı.

Yaklaşımları, geleneksel simülasyonlar altında belirgin olmayan, su sütununun ekseni boyunca uzanan tüpün duvarlarına paralel olarak inşa edilen bir elektronik yapıyı ortaya çıkardı.

Simülasyonlarında, karbon nanotüplerin eksenindeki dielektrik sabiti, tüplerin çapı küçüldükçe artmıştır. Su moleküllerinin tek bir sıra halinde dizilmeye zorlandığı 0,79 nanometrede zirve yaptı.

Suyun dielektrik etkisinin bu küçük ölçeklerde artmasının haritalanması, moleküler biyologlara küçük hücresel kanallardan su ve diğer malzemelerin akışı hakkında hayati ipuçları sağlayabilir veya araştırmacıların küçük alanlarda hapsedilmiş çözeltilerde daha etkili çalışabilecek ilaçları uyarlamasına yardımcı olabilir.

LLNL'de hesaplamalı malzeme bilimcisi olan Anh Pham, "Suyun dielektrik sabiti üzerindeki hapsetme etkisinin temel çalışmaları, mevcut teknolojileri anlamak ve geliştirmek için faydalıdır" diyor.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.