22/02/2012 - Wie wird Wasser in flüssigem Zustand auf molekularer Ebene durch Nanokanäle verbreitet?

Menéame

Ein in der Physical Review veröffentlichter Artikel von Wissenschaftlern an den Universitäten Granada und Barcelona könnte die Entsalzung und das Filtern von Wasser in Kürze verändern.

Wissenschaftler an den Universitäten Granada und Barcelona haben erstmals auf molekularer Ebene beschrieben, wie flüssiges Wasser durch Nanokanäle verbreitet wird, eine Art extrem kleine Tunnel, deren innerer Durchmesser 1 bis 100 Nanometer (nm, Längeneinheit, die einem Milliliter eines Meters entspricht und im Bereich der Nanotechnologie verwendet wird). Wissenschaftler nutzen Nanokanale, um das Verhalten der Moleküle zu untersuchen.

Diese Arbeit könnte in kurzer Zeit unsere Art und Weise ändern, die Entsalzung und das Filtern von Wasser zu verstehen, Prozesse, die, wie in zwei Artikeln in Science gezeigt, revolutioniert werden, dank der Einführung von Grafenmembranen und Kohlenstoffnanokapas bei denen das Wasser sehr schnell verbreitet wird, wenn der Porenabschnitt 1 nm beträgt.

Flüssiges Wasser besitzt eine seltsame Reihe von Eigenschaften, die andere chemische Verbindungen nicht teilen: bis zu insgesamt 65 Anomalien. Einige davon sind seit mehr als 300 Jahren bekannt, wie zum Beispiel die Tatsache, dass sie sich bei Kälte unter 4 Grad Celsius ausbreitete.

Viele dieser Anomalien sind dynamisch, z. B. die Ursache dafür, dass sich die Wassermoleküle schneller bewegen, je größer die Dichte, und sie sind alle auf die Eigenschaften des Wasserstoffbrückennetzes zurückzuführen, das die Wassermolekülen bildet, die die Bildung von etwa Tetraedrika-Strukturen von vier Molekülen um ein Kraftwerk induzieren. Diese geometrische Anordnung ändert sich jedoch mit dem Druck und der Temperatur, und trotz der Einfachheit seines Moleküls gab es bisher keine molekulare Beschreibung des Wassers, das alle seine bekannten Eigenschaften im flüssigen Zustand beschreibt.


Ein Rätsel, das geklärt werden muss

Besonders verwirrend sind die Ergebnisse über die Ausbreitung von in geschlossenen Gewässern zwischen hydrophoben Wänden. Weder Experimente noch Computersimulationen klären schließlich, ob die Einschließung die Mobilität der Moleküle begünstigt oder verringert, obwohl sie groberweise darauf hindeuten, dass die Einschließung je nach der Breite der Leitungen kleiner oder größer ist als 1 nm.

In einem Artikel in der angesehenen Zeitschrift Physical ReviewDie Professoren Francisco de los Santos Fernández (Universität Granada) und Giancarlo Franzese (Universität Barcelona) haben durch Theorie und Simulation studiert, wie das Wasser auf Nanoebene zwischen zwei hydrophoben Platten reagiert. Seine Arbeit hat gezeigt, dass die ungewöhnlich schnelle Verbreitung von Nanokonnennwasser auf den Wettbewerb zwischen dem Bruch und der Bildung von Wasserstoffbrücken und der Verfügbarkeit von freien Volumen für die Neuorganisation der Moleküle zurückzuführen ist.

Wenn Wasser in Kanälen mit einem Querschnitt von mehr als 1 nm verbreitet wird, ist eine makroskopische Diffusion nur möglich, wenn es kooperative Molekülbewegungen gibt, was zu einem Bruch der Wasserstoffbrücke in 1nm-Regionen führt. In Kanälen mit einem Querschnitt von weniger als 1 nm wird die Diffusion dadurch erleichtert, dass nicht so viele Verbindungen gebrochen werden müssen. So ist 1 Nanometer, wie sie in diesem Artikel gezeigt haben, die Skala, in der die kooperativen Wirkungen auf Wasser ins Spiel kommen und die makroskopischen Eigenschaften bestimmen.
 

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Weitere Informationen:

•    Neue Eigenschaften des Wassers in geschlossenen Systemen bei niedrigen Temperaturen
 

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