Результаты нового исследования будут полезны для молекулярной биологии и фармацевтики.
Физики из использовали ИИ, чтобы выяснить, как изменяются электрические свойства воды, когда она попадает в нанометровые цилиндры из чистого углерода. Было обнаружено странное поведение воды. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters, пишет Focus.ua со ссылкой на ScienceAlert.
Вода кажется простым соединением, но это не так. Внутри каждой молекулы воды есть один атом кислорода, который влияет на два атома водорода и создает дисбаланс в заряде, известный как диполь. Из-за этого дисбаланса вода имеет необычные свойства, которые позволяют ей свободно располагаться на поверхностях или распространятся в самых разных конфигурациях при замерзании.
Молекулы воды, помещенные в гидрофобную углеродную нанотрубку, усиливают взаимодействие с электрическим полем благодаря ограниченному пространству. Но почему и как это происходит до сих пор ученые полностью не понимали. По словам авторов исследования, лучшее понимание диэлектрического отклика воды в ограниченном пространстве важно для понимания и улучшения современных технологий.
Диэлектрический эффект описывает, как такие материалы, как вода, реагируют на электрические поля. Там, где проводящие материалы передают электрический заряд в форме тока, заряженные компоненты диэлектрических материалов поворачиваются и располагаются таким образом, чтобы обеспечить обратную связь с более широким электрическим полем.
Во время прошлых исследований ученые уже размещали молекулы воды в углеродные нанотрубки диаметром менее 10 нанометров. Тогда они обнаружили новое состояние воды, которое способствовало более быстрому переносу протонов по одномерным цепочкам молекул воды.
Но объяснить эти результаты было непросто, поэтому физики использовали ИИ для понимания поведения молекул воды и создали моделирование. Это позволило получить более полную картину, которая включала квантовые эффекты для расчета потенциальной энергии и описания колебания отдельных молекул.
В результате была обнаружена электронная структура, которая строится параллельно стенкам углеродной трубки, спускаясь вниз по оси водяного столба.
В моделировании диэлектрическая проницаемость на оси углеродных нанотрубок увеличивалась по мере уменьшения диаметра трубок. Она достигала пика при диаметре 0,79 нанометров, где молекулы воды вынуждены выстраиваться в одну линию.
Понимание усиления диэлектрического эффекта воды в таких малых масштабах может предоставить молекулярным биологам важные подсказки о течении воды и других материалов через крошечные клеточные каналы или помочь ученым адаптировать фармацевтические препараты, которые могли бы работать более эффективно в растворах, ограниченных небольшим пространством.