Woda w nanometrowym filmie: dalekozasięgowe wiązania dipoli czynią ją ferroelektrykiem

Edytowane przez: Svitlana Velhush

Woda uwięziona między dwiema płytkami w odległości zaledwie kilku nanometrów przestaje zachowywać się jak zwykła ciecz. Jej przenikalność dielektryczna wzdłuż płaszczyzny warstwy wzrasta powyżej tysiąca, a prostopadle do ścianek spada do dwóch–trzech jednostek. Jednocześnie gwałtownie rośnie przewodność protonowa.

Zwykłe wyobrażenia o wodzie jako o prostym ośrodku o stałej przenikalności nie sprawdzają się tutaj. Gdy grubość szczeliny jest mniejsza niż pięć nanometrów, niemal cała woda znajduje się w strefie oddziaływania powierzchni. Cząsteczki nie mogą swobodnie orientować się w trzech wymiarach — ich dipole są zmuszone leżeć w płaszczyźnie.

To ograniczenie wydłuża korelacje między sąsiednimi dipolami. Zamiast lokalnych fluktuacji powstają domeny złożone z setek cząsteczek, powiązanych wiązaniami wodorowymi i oscylujących w sposób skoordynowany. Takie zbiorowe ruchy wzmacniają odpowiedź na pole elektryczne w płaszczyźnie i tłumią ją w kierunku prostopadłym.

Model teoretyczny, zbudowany na odpowiedzi liniowej z wykładniczym jądrem korelacji polaryzacji, daje uniwersalne prawa skalowania. Przenikalność dielektryczna rośnie proporcjonalnie do kwadratu długości korelacji, a przewodność — odwrotnie proporcjonalnie do grubości warstwy. Obliczenia ilościowo zgadzają się z eksperymentami w zakresie grubości od jednego do pięciu nanometrów.

Woda w nanograniczeniu zachowuje się jak skorelowana ciecz polarna o cechach ferroelektrycznych. Jej właściwości określają nie geometria kondensatora, lecz zbiorowe fluktuacje dipoli. Otwiera to drogę do sterowania transportem jonowym i aktywnością chemiczną w nanokanałach i nanoporach.

Zrozumienie mechanizmu pozwala przewidywać zachowanie wody w błonach biologicznych, kanałach grafenowych i nanomateriałach, gdzie grubość warstwy mierzy się w nanometrach.

15 Wyświetlenia

Źródła

  • The Giant Permittivity of Nanoconfined Water

Komentarze

Czytaj więcej artykułów na ten temat:

Czy materia istnieje?-2

Czy materia istnieje?

HKUST Researchers Redraw the Boundary between Phases of Matter A research team led by Prof. Haruki WATANABE, Professor in the Department of Physics and the Jockey Club Institute for Advanced Study (IAS) at HKUST, in collaboration with Prof. Yukitoshi MOTOME and graduate student

Image
Reply
Czy znalazłeś błąd lub niedokładność?Rozważymy Twoje uwagi tak szybko, jak to możliwe.