Eingeschlossenes Wasser in Kohlenstoffnanoröhren zeigt stärkere elektrische Eigenschaften

Bis hinunter auf die Ebene einzelner Zellen ist Wasser für das Überleben unverzichtbar.

Vorhersagen zu können, wie sich flüssiges H~2~O durch molekulargroße Kanäle zwängt, erfordert Simulationen, die selbst die leistungsfähigsten heutigen Computer an ihre Grenzen bringen.

Eingeschlossenes Wasser in Kohlenstoffnanoröhren

Forschende in den USA nutzten deshalb maschinelles Lernen, um zu untersuchen, wie sich die elektrischen Eigenschaften von Wasser verändern, wenn es in Nanometer großen Zylindern aus reinem Kohlenstoff eingeschlossen ist.

Die scheinbare Einfachheit von Wasser kann täuschen. In jedem Molekül beansprucht ein einzelnes Sauerstoffatom mehr als seinen gerechten Anteil der Elektronenzeit gegenüber seinen Wasserstoffbegleitern. Dadurch entsteht ein Ladungsungleichgewicht, das als Dipol bezeichnet wird.

Dieses Ungleichgewicht verleiht Wasser seine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften. Es ermöglicht den Molekülen, locker aneinanderzuhaften, was etwa die Oberflächenspannung erklärt, oder sich beim Gefrieren zu Eis in vielfältigen Strukturen anzuordnen.

Werden Wassermoleküle in eine hydrophobe Kohlenstoffnanoröhre gepackt, die für ein gewöhnliches Virus ungefähr die Größe einer Kaffeetasse hätte, verstärkt die räumliche Begrenzung ihre Wechselwirkungen mit einem elektrischen Feld.

Wie und weshalb dies genau geschieht, ist bislang jedoch nicht vollständig beschrieben.

„Es ist notwendig, die Fähigkeit der eingeschlossenen Flüssigkeit zur Abschirmung elektrischer Felder zu verstehen und zu klären, wie sie sich von der Umgebung außerhalb der Begrenzung unterscheidet“, sagt der Hauptautor Marcos Calegari Andrade, Materialwissenschaftler am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

„Ein besseres Verständnis der dielektrischen Reaktion von eingeschlossenem Wasser ist nicht nur für die Weiterentwicklung von Trenntechnologien wichtig, sondern auch für weitere aufkommende Anwendungen wie Energiespeicherung und Energieumwandlung.“

Dielektrische Reaktion und molekulare Simulationen

Der dielektrische Effekt beschreibt, wie Materialien wie Wasser auf elektrische Felder reagieren. Während leitende Stoffe wie Kupferdrähte elektrische Ladungen als Strom weitergeben, drehen sich die geladenen Bestandteile dielektrischer Materialien zur Ausrichtung im Feld und wirken dadurch auf das übergeordnete elektrische Feld zurück.

Frühere Untersuchungen von Wasser in Kohlenstoffnanoröhren mit Durchmessern unter 10 Nanometern haben neue Wasserphasen sichtbar gemacht. Zudem zeigte sich, dass Protonen entlang eindimensionaler Ketten aus Wassermolekülen deutlich schneller übertragen werden können.

Bei größeren Poren deuteten Beobachtungen außerdem auf Eisstrukturen hin, die in größeren Wassermengen nicht auftreten würden.

Diese experimentellen Ergebnisse theoretisch zu erklären, ist allerdings alles andere als einfach. Simulationen, die auf ersten Prinzipien beruhen, können ein vergleichsweise vollständiges Bild des molekularen Verhaltens liefern – jedoch nur für einige hundert Atome und über Zeiträume von winzigen Sekundenbruchteilen.

Um die dielektrischen Konstanten in anderen Richtungen innerhalb des Kanals zu bestimmen, kombinierten die Forschenden Berechnungen aus ersten Prinzipien mit maschinellem Lernen. Dadurch entstand ein umfassenderes Modell, das Quanteneffekte einbezog, potenzielle Energie berechnete und die Bewegung einzelner Moleküle beschrieb.

Höhere dielektrische Konstante in engen Nanoröhren

Mit diesem Ansatz wurde eine elektronische Struktur erkennbar, die in herkömmlichen Simulationen verborgen geblieben wäre. Sie bildet sich parallel zu den Wänden der Röhre entlang der Achse der Wassersäule aus.

In der Simulation stieg die dielektrische Konstante auf der Achse der Kohlenstoffnanoröhren, je kleiner deren Durchmesser wurde. Ihren Höchstwert erreichte sie bei 0,79 Nanometern, wenn die Wassermoleküle gezwungen sind, sich einzeln hintereinander anzuordnen.

Die Kartierung der verstärkten dielektrischen Wirkung von Wasser auf diesen kleinen Skalen könnte Molekularbiologinnen und Molekularbiologen entscheidende Hinweise auf den Transport von Wasser und anderen Stoffen durch winzige Zellkanäle liefern. Ebenso könnte sie Forschenden helfen, Arzneimittel gezielt anzupassen, die in Lösungen auf engem Raum wirksamer arbeiten könnten.

„Grundlegende Untersuchungen darüber, wie räumliche Begrenzung die dielektrische Konstante von Wasser beeinflusst, sind hilfreich, um bestehende Technologien zu verstehen und zu verbessern“, sagt Anh Pham, Wissenschaftlerin für computergestützte Materialforschung am LLNL.

Die Studie wurde in der Zeitschrift für physikalisch-chemische Briefe veröffentlicht.