Nanopasaulio keistenybės: vanduo pats suardo savo struktūrą

Per paskutiniuosius keletą metų mokslininkai stebėjo, kaip vanduo spontaniškai patenka į mažyčius grafito arba grafeno vamzdelius, vadinamus anglies nanovamzdeliais. Šis netikėtas atradimas pasirodė labai įdomiu, nes anglies nanovamzdeliai galėtų būti pritaikyti nanotekėjimui ir nanofiltravimui. Nanovamzdeliai galėtų palaikyti mažyčių srovių tekėjimą arba atskirti priemaišas nuo vandens. Tačiau norint šį efektą priatikyti praktikoje, reikėjo paaiškinti, kodėl molekuliniame lygmenyje stabilus skystis turėtų norėti uždaryti save į tokią mažą sritį.

Panaudoję naujoviškus metodus vandens molekulių dinamikai skaičiuoti, Kalifornijos technologijų instituto mokslininkai mano, kad jie sugebėjo atsakyti į šį klausimą. Pasirodo, kad viskas susiję su entropija, tai yra netvarkos matu. Entropija buvo tas trūkstamas raktelis, kuris padėjo atrakinti paslapties skrynią.

„Tai labai netikėtas rezultatas, – pasakė chemijos profesorius Viljamas Godardas (William Goddard), kuris taip pat yra Medžiagų ir procesų skaičiavimo centro (Materials and Process Simulation Center) direktorius. – Žmonės paprastai visą dėmesį skiria nagrinėjamo proceso energijai, o ne entropijai.“

Reikia neužmiršti, kad vandens molekulės sudaro labai didelį vandeniliškų jungčių tinklą, kuris yra labai stabilus. Šių stiprių jungčių atskyrimui reikalinga energija. Kadangi tam tikros vandeniliškos jungtys tarp vandens molekulių turi būti nutrauktos, kad vanduo patektų į mažyčius nanovamzdelius, tai atrodo neįtikima, kad vanduo sutiktų tai daryti laisva valia.

„Mes atradome, kad čia vyksta tam tikras apsikeitimas, – pasakė Godardas. – Jūs prarandate dalį geros stabilizavimo energijos, atsirandančios dėl ryšių, bet proceso metu gaunate entropijos.“

Entropija yra viena iš vedančiųjų jėgų, kuri nulemia, ar procesas vyks spontaniškai. Ji nusako kelius, kuriuose sistema gali gyvuoti tam tikroje būsenoje. Kuo daugiau konfigūracijų būdinga sistemai, tuo didesnė sistemos netvarka, ir tuo didesnė entropija. Iš esmės, gamta juda link didesnės entropijos.

Kai visos vandens molekulės turi sudariusios idealius ryšius, visi vandeniliški ryšiai įtvirtina molekules tam tikroje vietoje, tai yra neleidžia joms laisvai judėti, o vandens entropija yra labai maža. Godardas ir podaktarinėje stažuotėje esantis Todas Paskalis atrado, kad tam tikrų nanovamzdelių atveju vanduo įgyja pakankamai entropijos patekdamas į vamzdelį. Tokiu būdu kompensuojami energijos nuostoliai, atsirandantys nutrūkus vandeniliškiems ryšiams. Dėl šios priežasties vanduo spontaniškai patenka į vamzdelius.

Savo atradimus Godardas ir Paskalis išdėstė straipsnyje, atspausdintame „Proceedings of the National Academy of Sciences“. Jie nagrinėjo anglies nanovamzdelius, kurių diametras kito nuo 0,8 iki 2,7 nanometrų, ir priklausomai nuo diametro nustatė tris pagrindines priežastis, kodėl vanduo turėtų laisvai tekėti į vamzdelius.

Mažiausieji nanovamzdeliai, kurių diametras kinta nuo 0,8 iki 1,0 nanometro yra tokie maži, kad vandens molekulės išsilygiuoja juose viena šalia kitos ir užima į dujinę panašią būseną. Tai reiškia, kad įprasta skysto vandens vandeniliškų ryšių struktūra yra suardoma, o vandens molekulės įgauna didesnės judėjimo laisvės. Padidėjusi entropija įstumia vandenį į vamzdelius.

Kai anglies nanovamzdelių diametras kinta nuo 1,1 iki 1,2 nanometro, viduje uždarytos vandens molekulės sudaro grupes, panašias į ledo kristalus. Godardas ir Paskalis apskaičiavo, kad tokie nanovamzdeliai turi būti tam tikrų idealių matmenų, kad galėtų pritraukti susikristalizavusį vandenį. Šiuo atveju ryšiai esantys kristalo viduje, bet ne entropija, verčia vandenį judėti į vamzdelius.

Didžiausio diametro (1,4 – 2,7 nanometro) nagrinėtuose nanovamzdeliuose patekusios vandens molekulės elgiasi panašiai kaip vanduo. Kadangi kai kurie vandeniliški ryšiai yra nutraukti, tai molekulės turi daugiau judėjimo laisvės vamzdelių viduje. Gautas entropijos kiekis su kaupu kompensuoja patirtus energijos nuostolius, atsiradusius dėl nutrūkusių ryšių.

Kadangi anglies nanovamzdelių vidus yra per mažas, kad jį būtų galima ištirti eksperimentiniais metodais, Godardas ir Paskalis nagrinėjo uždarytų vandens molekulių dinamiką pasitelkdami teorinį modeliavimą. Naudodami naujus Godardo grupės išvystytus metodus bei superkompiuterį, jie galėjo skaičiuoti atskirų vandens molekulių entropiją. Praeityje tokie skaičiavimai buvo ypač sudėtingi ir reikalaujantys daug kompiuterinio laiko. Naujasis metodas leidžia bet kokios sistemos entropijos vertes nustatyti pakankamai lengvai.

„Ankstesniems metodams reikėjo maždaug aštuonerių metų procesorinio laiko, norint suskaičiuoti tas pačias entropijas, o dabar mes tai gauname per trisdešimt šešias valandas,“ – paaiškino Godardas savo metodo pranašumą.

Mokslininkai atliko papildomus skaičiavimus, kuriuose vandeniui suteikė truputį kitokias savybes – paliko įprastas energijos, tankio ir takumo savybes, bet atėmė galimybę sudaryti vandeniliškus ryšius. Tuo atveju skaičiavimai rodė, kad vanduo netekėdavo į anglies nanovamzdelių vidų. Tai buvo papildomas įrodymas, kad visa apimantis vandeniliškų ryšių tinklas, reiškiantis mažą entropiją, yra atsakingas už vandens patekimą į nanovamzdelių vidų, kai entropija padidėja.

Godardas mano, kad anglies nanovamzdeliai gali būti panaudoti kuriant supermolekules, skirtas vandens gryninimui. Panaudojus nanoporas su tokiu pačiu diametru, kaip ir anglies nanovamzdelių, būtų galima atskirti vandenį iš tirpalo. Tokie galimi taikymai ir skatina aiškintis vandens tekėjimo per anglies nanovamzdelius priežastis.