شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی نشان می‌دهد وقتی آب در حالت مایع میان دو سطح محبوس شود، ثابت دی‌الکتریک آن می‌تواند به شدت تغییر کند.

آب به دلیل ماهیت قطبی، گذردهی دی‌الکتریک بزرگی دارد (ε=80). این گذردهی یعنی برهم‌‌کنش کولنی میان ذرات باردار با ضریب 80 (در مقایسه با خلأ)‌ کاهش می‌یابد. این ویژگی رفتار یون‌ها یا پروتئین‌ها را در محلول‌های آبی تحت تأثیر قرار می‌دهد. اما محاسبات جدید نشان می‌هد وقتی آب بین لایه‌های فوق باریک محبوس شود، ویژگی‌های دی‌الکتریک آن به طور قابل‌توجهی تغییر می‌کند. این یافته به دانشمندان کمک خواهد کرد تا فرایندهای زیستی را که در لایه‌هایی از آب با ابعاد کم‌تر از نانومتر اتفاق می‌افتد، بهتر درک کنند، همانند دینامیک یون‌ها در غشاهایی از ترکیبات فتوسنتزی خاص که بطور فشرده روی هم انباشته شده‌اند.

Schlaich و هم‌کاران، Phys Rev Lett (2016)

در بسیاری از موقعیت‌ها، آب را می‌توان با استفاده از نظریه‌های پیوستار مدل‌سازی کرد که در آن گذردهی آب برابر با مقدار گذردهی آب در حالت توده‌ای فرض می‌شود. با این حال، بسیاری از مطالعات نظری و آزمایشگاهی نشان می‌دهند وقتی آب در ابعاد نانومتری محبوس می‌شود، این فرض از بین می‌رود. Alexander Schlaich از دانشگاه آزاد برلین، در آلمان و هم‌کارانش تأثیرات این‌گونه محبوس‌سازی را به طور نظام‌مند مورد مطالعه قرار دادند. این پژوهش‌گران با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، گذردهی آبی را که میان دو سطح قطبی محبوس شده، به صورت تابعی از ضخامت لایه محاسبه کردند.

نتایج نشان می‌دهد که مقادیر آب با ضخامت بیشتر از 1 نانومتر دارای همان مقدار گذردهی آب در حالت توده‌ای است. با این حال، برای ضخامت‌های کمتر گذردهی با یک مولفه قائم و یک مولفه موازی به شدت ناهم‌سان‌گرد می‌شود (که به ترتیب نشان‌دهنده اثرات دی‌الکتریک بر میدان‌های الکتریکی موازی و قائم بر صفحه آن مقدار آب است). با وجود آن‌که مولفه موازی کمی‌ بزرگ‌تر از ضریب آب در حالت توده‌ای است، اما مولفه قائم برای ضخامت‌های کم‌تر از نیم نانومتر تقریباً به میزان یک مرتبه (یک‌دهم) کاهش می‌یابد. نظر پژوهش‌گران بر مبنای شبیه‌سازی‌ها این است که این عدم تقارن به دلیل برهم‌کنش‌های مولکولی میان آب و سطوح قطبی به وجود آمده است که هم‌محور شدن دوقطبی‌های آب را که موازی با سطح آب هستند بهبود می‌بخشد اما هم‌محور شدن دوقطبی‌های عمودی را کاهش می‌دهد.

این پژوهش در Physical Review Letters چاپ شده است

نویسنده: Matteo Rini دستیار ویراستار نشریه فیزیک است.

منبع: Water Under Confinement

مرجع: Water Dielectric Effects in Planar Confinement