לhed תגובת מים כלואים לשדה חשמלי תלויה בכיוון

מים הם אחד החומרים הנחקרים ביותר על פני כדור הארץ, אך הם ממשיכים להפתיע מדענים תחת תנאים קיצוניים. מחקר שנערך באוניברסיטת אנטוורפן שפך אור על תעלומה ארוכת שנים בנוגע להתנהגות מים הכלואים ברווחים צרים. כאשר מולקולות מים נדחסות לחללים זעירים בין משטחים מוצקים, תכונותיהן הפיזיקאליות מששתנות באופן דרסטי בהשוואה למים חופשיים. הבנת השינויים הללו חיונית לקידום יישומים טכנולוגיים ומדעיים.

המחקר הובל על ידי מהדי ניק-אמאל ופרנסואה פיטרס והתפרסם בכתב העת Physical Review Letters. הם התמקדו בתגובה הדיאלקטרית של המים, המתארת כיצד חומר מגיב לשדה חשמלי חיצוני. בנסיבות רגילות, התגובה אחידה יחסית. עם זאת, כאשר המים כלואים במרחב צר, אחידות זו נעלמת. המולקולות בסמוך למשטחים חווים אילוצים פיזיקאליים חזקים המשנים את יכולתן לנוע ולהתארגן מחדש.

כדי לפענח תעלומה זו, פיתחו השניים מודל מתמטי מתקדם המביא בחשבון את הגאומטריה המולקולרית והקשרים המימניים בננו-סקאלה. החישובים הראו כי מים מציגים שתי תגובות דיאלקטריות שונות מאוד בהתאם לכיוון הפעלת השדה החשמלי. שדות ניצבים מאלצים את המולקולות לפעול כנגד האילוצים המרחביים, בעוד שדות מקבילים מאפשרים למולקולות לנוע בחופשיות יחסית בתוך השכבות.

ממצאים אלו מציעים הקשר חשוב עבור ננו-טכנולוגיה ומערכות ביולוגיות, שבהן מים מוגבלים לעיתים קרובות לתעלות צרות. תעלות יונים בקרומי תאים וממברנות התפלה מלאכותיות מסתמכות על התנהגות זו. המחקר מספק כלי חזק לחיזוי התנהגות נוזלים ומסייע בתכנון התקנים ננומטריים יעילים יותר, מה שמרחיב את יכולתנו לשלוט בנוזלים ברמת דיוק חסרת תקדים.