Tek Moleküllü Bir Katmanda, Su Ne Katı Ne de Sıvı Gibi Davranır

Suyun nasıl davrandığını bildiğimizi düşünebiliriz, ancak tek bir molekül kalınlığında olacak kadar küçük alanlara girdiğinde ne olduğunu gözden kaçırıyorduk. Sonuçlar, toplu haldeki sudan çok farklı çıkıyor.

Suyun tanıdık üç hali - katı, sıvı ve gaz - bir araya geldiklerinde buz dağlarına neden olabilir. Bununla birlikte, metaforik karşılığı gibi, göremediğimiz yerlerde çok daha fazlası meydana gelir, maddenin yalnızca aşırı koşullar altında var olan sayısız hali de dahil. Maddeyi yeni yollarla nasıl manipüle edeceğimizi ve ölçeceğimizi öğrendikçe, bunlardan daha fazlası sıklıkla keşfediliyor.

En son örnekler, su, tek molekül kalınlığında bir katman oluşturduğu koşullar altında tutulduğu zaman ortaya çıkar, bu noktada sırayla birkaç faz meydana gelebilir. Maddenin diğer bazı hallerinden farklı olarak, bunların hepsini oluşturmak için çok büyük miktarda enerji veya baskı gerekmez. Bunun yerine, zorluk, davranışlarını gözlemlemek ve yapıları anlamakta yatıyor; bu, şimdi Nature'da yayınlanan bir makalede ele alındı.

Cambridge Üniversitesi'nden Dr. Venkat Kapil ve meslektaşları, küçük bir grafen kanalı içindeki suyun hesaplamalı modellemesini kullanarak, düşük basınçta suyun, altıgen bir şekilde düzenlenmiş moleküllerle, üç boyutlu versiyondan yaklaşık 100°C daha düşük bir erime noktasına sahip olması dışında, yığın buzla eşleşen bir faz oluşturduğunu buldular.

Basınç veya sıcaklık arttıkça, moleküller kendilerini önce beşgen ve sonra eşkenar dörtgen biçimlere yeniden düzenlerler. Yazarların "orta" (yaklaşık 8.000 atmosfer) olarak adlandırdıkları basınçlarda su, yazarların "hekzatik" faz olarak adlandırdıkları faza girer. Burada su, sıcaklıklar yaklaşık 70°C'nin üzerine çıkana kadar, sabit fakat dönen moleküllerle katı ve sıvı arasında bir şekilde davranır.

Su moleküllerinin, tek su katmanında değişen basınçlar altında kendilerini düzenleme şeklinin şeması.

 

Basınç daha da arttığında, su süper iyonik hale gelir. Sudan çok buza benzer, ancak elektriksel olarak oldukça iletkendir. Ancak akım, protonlar veya elektronlar tarafından taşınmaz. Yığın su da süper iyonik bir faza sahip olabilir, ancak bunu başarmak için çok daha yüksek basınçlara ihtiyacınız vardır.

Çok düşük sıcaklıklarda veya aşırı basınçlar altında meydana gelenler gibi maddenin diğer halleri, bazen pratik uygulamadan çok merak değeri taşır, ancak burada durum böyle değildir. Her türlü gözenekli maddede küçük boşluklar bulunur ve ihtiyacımız olsun ya da olmasın zarlar arasında tek moleküllü kalın katmanlar oluşabilir.

Yazarlar, içerideki boşluklar yığın su için çok küçük olduğunda, kendi vücudumuzun bu fazlardan bazılarını içerdiğini ve tepkisinin tıbbi tedavilerin etkinliğini etkileyebileceğini savunuyorlar. Aynı şekilde, piller ve suyu tuzdan arındırma projeleri de uzun süredir bu fazlardaki suyu dahil ediyor, sadece üretimi nasıl etkilediğini bilmiyorduk.

Kapil bir açıklamada, "Tüm bu alanlar için suyun davranışını anlamak temel sorudur." dedi. "Yaklaşımımız, grafen benzeri bir kanalda tek bir su katmanının benzeri görülmemiş bir tahmin doğruluğu ile çalışılmasına imkan tanıyor."

Yazarların bildirdiği hekzatik faz davranışı, önceki tahminlerle büyük ölçüde eşleşiyor, ancak süper iyonik bizi bilinmeyen bölgede daha da ileri götürüyor.

Kapil "Süper iyonik fazın kolayca erişilebilir koşullarda varlığı tuhaftır, çünkü bu faz genellikle Uranüs ve Neptün'ün çekirdeği gibi aşırı koşullarda bulunur. Bu fazı görselleştirmenin bir yolu, oksijen atomlarının katı bir kafes oluşturmasıdır ve protonlar, bir labirentte koşan çocuklar gibi, kafes boyunca bir sıvı gibi akmaktadır." dedi.

Yazarlar, pil tasarımını geliştirmek için süper iyonik fazın olağanüstü iletkenliğinden yararlanmayı umuyorlar.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.