شبیه سازی‌های دینامیک مولکولی نشان می‌دهد که وقتی آب بین دو سطح محصور شده باشد، ثابت دی الکتریک آن می‌تواند شدیداً تغییر کند.

آب به علت ماهیت قطبی خود، گذردهی دی الکتریک بزرگی دارد (80=ε). چنین مقدار بزرگی به این معناست که برهمکنش‌های کولنی بین ذرات باردار در مقایسه با خلاء، 80 برابر ضعیف‌تر می‌شود؛ ویژگی‌ای که بر رفتار یون‌ها یا پروتئین‌ها در محلول‌های آبی موثر است. اما اکنون محاسبات پیشنهاد می‌دهد که خواص دی الکتریک آب وقتی بین دو لایه‌ی فوق العاده نازک محصور شود به طور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌کند. این یافته به پژوهشگران کمک خواهد کرد تا فرآیند‌های بیولوژیکی در لایه‌های زیرنانومتری از آب، نظیر دینامیک مولکولی در غشاءهای محکم چیده شده در برخی مجموعه‌های فوتوسنتز رخ می‌دهد، را بهتر درک کنند.

در بسیاری از مواقع، آب را می‌توان با نظریه‌های پیوستار که فرض می‌کنند مایع در کل حجم گذردهی ثابتی دارد شبیه سازی کرد. اما طبق برخی مطالعات نظری و تجربی، این فرض ممکن است وقتی مایع در مقیاس نانو محصور شده است به شکست بیانجامد. الکساندر شلایچ Alexander Schlaich و همکارانش در دانشگاه آزاد برلین، آلمان، یک تحقیق اصولی از چنین اثرات قیدی انجام داده‌اند. آن‌ها با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی، گذردهی لایه‌های آب محصور بین دو سطح قطبی را به صورت تابعی از ضخامت لایه محاسبه کردند. نتایج نشان می‌دهد که لایه‌های آب با ضخامت بیش از 1nm همان گذردهی حجم را دارد. اما برای ضخامت‌های کمتر، گذردهی شدیداً ناهمسانگرد شده و مولفه‌های عمودی و موازی دارد (که به ترتیب اثرات دی الکتریک روی میدان‌های الکتریکی موازی و عمود بر سطح لایه را توصیف می‌کند). در حالی که مولفه‌ی موازی کمی بزرگتر از مقدار حجمی است، مولفه‌ی عمودی برای ضخامت‌های کمتر از 0.5nm تقریباً تا یک مرتبه بزرگی کاهش می‌یابد. بر طبق شبیه سازی علت این عدم تقارن برهمکنش مولکول‌ها با ماده و سطوح قطبی است که هم‌سویی دوقطبی‌های آب را در جهت موازی، افزایش و در جهت عمود بر آن کاهش می‌دهد.

این پژوهش در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

منبع