انتشار مقاله جناب آقای دکتر مهدی نیک‌عمل در نشریه معتبر Physical Review Letters

این مطالعه به بررسی ویژگی‌های آب در شرایط نانومحصور می‌پردازد؛ شرایطی که در آن رفتار آب می‌تواند با حالت معمول آن در مقیاس بزرگ تفاوت چشمگیری داشته باشد. پژوهشگران در این مطالعه نظری، افزایش قابل‌توجه ضریب دی‌الکتریک و رسانندگی آب در فضای نانومقیاس را بررسی و منشأ این رفتار را به همبستگی دوقطبی های آب محصور شده، نحوه آرایش و همبستگی مولکول‌های آب و پیوندهای هیدروژنی میان آن‌ها مرتبط نمودند. این یافته‌ها می‌تواند به درک عمیق‌تر رفتار آب در سامانه‌های نانومقیاس و پدیده‌های مرتبط با انتقال بار و انرژی در این محیط‌ها کمک کند. این پژوهش در ادامه مطالعات قبلی دکتر نیک عمل و تیم او روی خواص دی الکتریک آب محصور شده است که از سال ۲۰۱۹ آغاز شده است.

آب در نگاه نخست ماده‌ای کاملاً آشناست، اما وقتی در فضایی با ضخامت تنها چند نانومتر محصور می‌شود، می‌تواند رفتاری کاملاً متفاوت از آب حجیم داشته باشد. در چنین ابعاد کوچکی، محدودیت حرکت مولکول‌ها و تغییر در نحوه برهم‌کنش دوقطبی‌های آن‌ها می‌تواند ویژگی‌های الکتریکی آب را به‌شدت تغییر دهد. اکنون پژوهشگران با ارائه مدلی میکروسکوپی، سازوکاری برای توضیح این رفتار غیرعادی ارائه کرده‌اند.

اهمیت این پژوهش به مشاهدات تجربی بازمی‌گردد که نشان داده‌اند آب، هنگامی که در شکافی چند نانومتری میان دو سطح قرار می‌گیرد، ویژگی‌های الکتریکی غیرمنتظره‌ای پیدا می‌کند. آزمایش‌های انجام‌شده از سال ۲۰۱۸ نشان دادند که ثابت دی‌الکتریک آب در راستای عمود بر صفحات کاهش می‌یابد، اما در راستای موازی با صفحات به‌شدت افزایش پیدا می‌کند. مطالعات بعدی نیز افزایش چشمگیر رسانایی پروتونی آب در راستای صفحه را نشان دادند.

این رفتار با مدل‌های متعارف که آب را محیطی همگن و سه‌بعدی در نظر می‌گیرند، به‌طور کامل قابل توضیح نیست. به همین دلیل، پژوهشگران در مطالعه جدید به سراغ بررسی رفتار مولکول‌های آب در سطح میکروسکوپی رفته‌اند.

بخش نانویی پژوهش دقیقاً به نانومحصورشدگی آب مربوط می‌شود. هنگامی که ضخامت شکاف به چند نانومتر کاهش می‌یابد، تقریباً تمام مولکول‌های آب تحت تأثیر سطوح محصورکننده قرار می‌گیرند و دیگر نمی‌توان رفتار آب را مانند یک محیط حجیم توصیف کرد. به‌ویژه در ضخامت‌های کمتر از حدود پنج نانومتر، سهم آب حجیم بسیار کاهش می‌یابد و سامانه به سمت یک حالت شبه‌دوبعدی حرکت می‌کند.

مولکول آب دارای گشتاور دوقطبی است و جهت‌گیری این دوقطبی‌ها با مولکول‌های اطراف ارتباط دارد. در آب حجیم، این همبستگی‌ها در یک محیط سه‌بعدی و عمدتاً میان مولکول‌های نزدیک شکل می‌گیرند. اما در شرایط نانومحصورشدگی، محدودیت هندسی باعث می‌شود دوقطبی‌های مولکول‌های آب بیشتر در یک صفحه قرار گیرند. در نتیجه، فاصله‌ای که در آن دوقطبی‌ها می‌توانند رفتار همبسته داشته باشند، در راستای صفحه افزایش پیدا می‌کند.

بر اساس مدل جدید، این شرایط باعث می‌شود نواحی بزرگی از مولکول‌های آب که از طریق شبکه پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل‌اند، به‌صورت جمعی نوسان کنند. این همبستگی جمعی، پاسخ آب به میدان الکتریکی را در راستای صفحه به‌شدت افزایش می‌دهد، در حالی که نوسانات دوقطبی در جهت عمود بر صفحه سرکوب می‌شوند. به این ترتیب، آب نانومحصور به ماده‌ای با ناهمسانگردی شدید دی‌الکتریک تبدیل می‌شود.

همین شبکه همبسته پیوندهای هیدروژنی می‌تواند افزایش رسانایی پروتونی در راستای صفحه را نیز توضیح دهد. از آنجا که پروتون‌ها می‌توانند در شبکه پیوندهای هیدروژنی جابه‌جا شوند، شکل‌گیری یک شبکه دوبعدی همبسته می‌تواند مسیر مؤثرتری برای انتقال بار ایجاد کند. بنابراین، افزایش ثابت دی‌الکتریک و افزایش رسانایی پروتونی را می‌توان دو پیامد مرتبط با یک سازوکار مشترک دانست.

پژوهشگران بر اساس این مدل، یک قانون کلی برای پاسخ دی‌الکتریک آب در فیلم‌هایی با ضخامت حدود یک تا پنج نانومتر به دست آورده‌اند؛ بازه‌ای که آب در آن از رفتار نزدیک به حالت حجیم به سمت یک حالت به‌شدت محصور و شبه‌دوبعدی گذار می‌کند. نتایج مدل با داده‌های تجربی در گستره‌ای از ضخامت‌های کانال نیز توافق خوبی نشان داده است.

اهمیت این یافته فراتر از توضیح یک پدیده فیزیکی است. آب در بسیاری از سامانه‌های نانومقیاس، از جمله غشاهای نانومتخلخل، کانال‌های نانوسیالی، مواد دوبعدی و برخی ساختارهای زیستی، در فضاهای بسیار محدود حضور دارد. بنابراین، شناخت نحوه قطبش و انتقال بار در آب نانومحصور می‌تواند برای درک دقیق‌تر عملکرد چنین سامانه‌هایی اهمیت داشته باشد.

این پژوهش نشان می‌دهد که در مقیاس نانو، محدودکردن ابعاد ماده صرفاً اندازه آن را تغییر نمی‌دهد، بلکه می‌تواند نحوه سازمان‌یافتگی مولکول‌ها و در نتیجه ویژگی‌های بنیادی ماده را نیز دگرگون کند. در مورد آب، تغییر در همبستگی دوقطبی‌ها و شبکه پیوندهای هیدروژنی در فضای چندنانومتری می‌تواند به رفتار الکتریکی کاملاً متفاوتی نسبت به آب حجیم منجر شود. پژوهشگران از این آب نانومحصور به‌عنوان یک سیال قطبی همبسته با رفتار شبه‌فروالکتریک یاد می‌کنند که ویژگی‌های آن حاصل نوسانات جمعی دوقطبی‌هاست، نه صرفاً اثر هندسی محصورشدگی.

این مقاله با عنوان Giant Dielectric Anisotropy and Enhanced In-Plane Conductivity in Nanoconfined Water در شماره ۱۳۷ نشریه Physical Review Letters منتشر شده است. این پژوهش همچنین در بخش Featured in Physics مورد توجه انجمن فیزیک آمریکا قرار گرفته و مجله Physics وابسته به این انجمن نیز با انتشار مطلبی تحت عنوان The Giant Permittivity of Nanoconfined Water به معرفی یافته‌های آن پرداخته است.