एक अणु परत में पानी न तो तरल और न ही ठोस की तरह कार्य करता है, और उच्च दबाव पर अत्यधिक प्रवाहकीय हो जाता है, एक के अनुसार नया कागज जर्नल में प्रकाशित प्रकृति.

कपिल और अन्य. अपने दबाव-तापमान चरण आरेख की गणना करके मोनोलेयर-सीमित पानी के चरण व्यवहार का वर्णन करें: (एजी) मोनोलेयर पानी के दबाव-तापमान चरण आरेख की गणना मशीन सीखने की क्षमता का उपयोग करके की गई थी जो प्रथम-सिद्धांत सटीकता प्रदान करती है; ठोस और धराशायी रेखाएं क्रमशः प्रथम-क्रम और निरंतर चरण संक्रमण दर्शाती हैं; ग्रे क्षेत्र ठोस-ठोस चरण संक्रमणों के लिए सांख्यिकीय अनिश्चितता और अन्य संक्रमणों के लिए, थर्मोडायनामिक राज्यों की एक सीमित संख्या के अध्ययन से उत्पन्न होने वाली अनिश्चितताओं का संकेत देते हैं; तिरछे हैटेड क्षेत्र उस क्षेत्र को इंगित करता है जिसमें वर्ग और फ्लैट-रोम्बिक चरण पतित होने के करीब हैं; हेक्सागोनल (ए), पंचकोणीय (बी), वर्ग (सी), फ्लैट-रोम्बिक (डी), हेक्साटिक (ई), सुपरियोनिक (एफ) और तरल (जी) चरणों के चित्र लाल, हाइड्रोजन परमाणुओं में ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ दिखाए जाते हैं नीली रेखाओं द्वारा दिखाए गए ग्रे और हाइड्रोजन बॉन्ड में। छवि क्रेडिट: कपिल और अन्य., डोई: 10.1038/s41586-022-05036-x।

झिल्लियों के बीच या छोटे नैनोस्केल गुहाओं में फंसा पानी आम है। यह हमारे शरीर में झिल्लियों से लेकर भूवैज्ञानिक संरचनाओं तक हर चीज में पाया जा सकता है।

लेकिन यह मोनोलेयर-सीमित पानी हमारे द्वारा पीने वाले पानी से बहुत अलग व्यवहार करता है।

अब तक, नैनोस्केल पर पानी के चरणों को प्रयोगात्मक रूप से चिह्नित करने की चुनौतियों ने इसके व्यवहार की पूरी समझ को रोक दिया है।

नए अध्ययन में, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ता वेंकट कपिल और उनके सहयोगियों ने अभूतपूर्व सटीकता के साथ पानी की एक-अणु मोटी परत के चरण आरेख की भविष्यवाणी करने के लिए निर्धारित किया।

उन्होंने पानी की एक परत की प्रथम-सिद्धांत स्तर की जांच को सक्षम करने के लिए कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोणों के संयोजन का उपयोग किया।

उन्होंने पाया कि पानी जो एक अणु की मोटी परत में सीमित है, कई चरणों से गुजरता है, जिसमें एक ‘हेक्सैटिक’ चरण और एक ‘सुपरियोनिक’ चरण शामिल हैं।

हेक्साटिक चरण में, पानी न तो ठोस और न ही तरल के रूप में कार्य करता है, लेकिन बीच में कुछ।

सुपरियोनिक चरण में, जो उच्च दबावों पर होता है, पानी अत्यधिक प्रवाहकीय हो जाता है, एक कंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के समान बर्फ के माध्यम से प्रोटॉन को जल्दी से आगे बढ़ाता है।

“इन सभी क्षेत्रों के लिए, पानी के व्यवहार को समझना मूलभूत प्रश्न है,” डॉ कपिल ने कहा।

“हमारा दृष्टिकोण अभूतपूर्व भविष्यवाणी सटीकता के साथ एक ग्रैफेन जैसे चैनल में पानी की एक परत के अध्ययन की अनुमति देता है।”

शोधकर्ताओं ने पाया कि नैनोचैनल के भीतर पानी की एक-अणु मोटी परत समृद्ध और विविध चरण व्यवहार दिखाती है।

उनका दृष्टिकोण कई चरणों की भविष्यवाणी करता है जिसमें हेक्साटिक चरण – एक ठोस और तरल के बीच एक मध्यवर्ती – और एक सुपरियोनिक चरण भी शामिल है, जिसमें पानी में उच्च विद्युत चालकता होती है।

“हेक्सेटिक चरण न तो एक ठोस और न ही एक तरल है, बल्कि एक मध्यवर्ती है, जो 2 डी सामग्री के बारे में पिछले सिद्धांतों से सहमत है,” डॉ कपिल ने कहा।

“हमारा दृष्टिकोण यह भी बताता है कि इस चरण को एक ग्रैफेन चैनल में पानी को सीमित करके प्रयोगात्मक रूप से देखा जा सकता है।”

“आसानी से सुलभ परिस्थितियों में सुपरियोनिक चरण का अस्तित्व अजीब है, क्योंकि यह चरण आम तौर पर यूरेनस और नेपच्यून के मूल जैसी चरम स्थितियों में पाया जाता है।”

“इस चरण की कल्पना करने का एक तरीका यह है कि ऑक्सीजन परमाणु एक ठोस जाली बनाते हैं, और प्रोटॉन एक तरल की तरह जाली के माध्यम से बहते हैं, जैसे बच्चे भूलभुलैया से भागते हैं।”

“यह सुपरियोनिक चरण भविष्य के इलेक्ट्रोलाइट और बैटरी सामग्री के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है क्योंकि यह वर्तमान बैटरी सामग्री की तुलना में 100 से 1,000 गुना अधिक विद्युत चालकता दिखाता है।”

“परिणाम न केवल यह समझने में मदद करेंगे कि नैनोस्केल पर पानी कैसे काम करता है, बल्कि यह भी सुझाव देता है कि ‘नैनोकॉन्फिनमेंट’ अन्य सामग्रियों के सुपरियोनिक व्यवहार को खोजने का एक नया मार्ग हो सकता है।”

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वी. कपिल और अन्य. मोनोलेयर नैनोकॉन्फिन्ड पानी का पहला-सिद्धांत चरण आरेख। प्रकृति, 14 सितंबर, 2022 को प्रकाशित; डोई: 10.1038/एस41586-022-05036-एक्स

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