Kohlenstoffnanoröhren verändern die dielektrische Konstante von Wasser

Bis hinunter auf die zelluläre Ebene ist Wasser für das Überleben allen Lebens unverzichtbar.

Vorherzusagen, wie sich flüssiges H₂O durch Leitungen auf molekularer Grössenskala zwängt, erfordert Simulationen, die selbst die leistungsstärksten heutigen Computer an ihre Grenzen bringen.

Deshalb nutzte ein Forschungsteam aus den USA maschinelles Lernen, um zu untersuchen, wie sich die elektrischen Eigenschaften von Wasser verändern, wenn es in Nanometer grosse Zylinder aus reinem Kohlenstoff eingeschlossen wird.

Die ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von Wasser

Die scheinbare Einfachheit von Wasser sollte nicht täuschen. In jedem Molekül beansprucht ein einzelnes Sauerstoffatom mehr als seinen gerechten Anteil an Elektronenzeit gegenüber seinen Wasserstoff-Begleitern. Dadurch entsteht ein Ladungsungleichgewicht, das als Dipol bezeichnet wird.

Dieses Ungleichgewicht verleiht Wasser seine Kombination ungewöhnlicher Eigenschaften: Es ermöglicht den Molekülen, locker aneinanderzuhaften, was etwa die Oberflächenspannung erklärt, oder sich beim Gefrieren zu Eis in einer grossen Vielfalt von Strukturen auszubreiten.

Werden Wassermoleküle in eine hydrophobe Kohlenstoffnanoröhre gepackt, die ein gewöhnliches Virus vermutlich für die perfekte Grösse einer Kaffeetasse halten würde, verstärkt ihre räumliche Einschränkung die Wechselwirkung mit einem elektrischen Feld.

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

„Es ist notwendig, die Fähigkeit der eingeschlossenen Flüssigkeit zu verstehen, elektrische Felder abzuschirmen, und wie sie sich von der Umgebung in der Masse unterscheidet“, sagt der Hauptautor Marcos Calegari Andrade, Materialwissenschaftler am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

„Ein verbessertes Verständnis der dielektrischen Reaktion von eingeschlossenem Wasser ist nicht nur wichtig, um Trenntechnologien voranzubringen, sondern auch für andere aufkommende Anwendungen wie Energiespeicherung und Energieumwandlung.“

Der dielektrische Effekt beschreibt, wie Materialien wie Wasser auf elektrische Felder reagieren. Während leitfähige Stoffe wie Kupferdrähte elektrische Ladungen als Strom übertragen, drehen sich die geladenen Bestandteile dielektrischer Materialien so, dass sie sich ausrichten und dadurch auf das umfassendere elektrische Feld zurückwirken.

Wasser in Kohlenstoffnanoröhren unter räumlichem Zwang

Wasser in Kohlenstoffnanoröhren mit einem Durchmesser von weniger als 10 Nanometern einzuschliessen, hat in der Vergangenheit neue Wasserphasen sichtbar gemacht. Zudem erleichtert es nachweislich einen wesentlich schnelleren Protonentransfer entlang eindimensionaler Ketten aus Wassermolekülen.

Eine Vergrösserung der Poren hat ausserdem auf die Bildung von Eisstrukturen hingedeutet, die in grösseren Wassermengen nicht auftreten würden.

Diese experimentellen Ergebnisse mit einem theoretischen Rahmen zu erklären, ist jedoch leichter gesagt als getan. Simulationen lassen sich ausgehend von ersten Prinzipien aufbauen, um ein relativ vollständiges Bild des molekularen Verhaltens zu gewinnen – allerdings nur für einige Hundert Atome und über Zeiträume, die lediglich einen winzigen Bruchteil einer Sekunde ausmachen.

Um die dielektrischen Konstanten in anderen Richtungen innerhalb des Kanals zu bestimmen, kombinierten die Forschenden Berechnungen aus ersten Prinzipien mit einem maschinellen Lernverfahren. So entstand ein umfassenderes Bild, das Quanteneffekte einbezog, potenzielle Energie berechnete und das Hin-und-her-Wackeln einzelner Moleküle beschrieb.

Ihr Ansatz legte eine elektronische Struktur offen, die bei herkömmlichen Simulationen nicht erkennbar gewesen wäre. Sie bildet sich parallel zu den Wänden der Röhre und verläuft entlang der Achse der Wassersäule.

Dielektrische Konstante bei 0,79 Nanometern

In der Simulation nahm die dielektrische Konstante entlang der Achse der Kohlenstoffnanoröhren zu, je kleiner ihr Durchmesser wurde. Ihren Höchstwert erreichte sie bei 0,79 Nanometern, wenn die Wassermoleküle gezwungen sind, sich hintereinander in einer einzigen Reihe anzuordnen.

Die Verstärkung des dielektrischen Effekts von Wasser auf diesen kleinen Skalen zu kartieren, könnte Molekularbiologen wichtige Hinweise auf den Fluss von Wasser und anderen Stoffen durch winzige Zellkanäle liefern. Ebenso könnte dies Forschenden helfen, Arzneimittel gezielt zu entwickeln, die in Lösungen auf engem Raum wirksamer arbeiten könnten.

„Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss der räumlichen Einschränkung auf die dielektrische Konstante von Wasser sind hilfreich, um heutige Technologien zu verstehen und zu verbessern“, sagt Anh Pham, ein auf computergestützte Materialwissenschaft spezialisierter Forscher am LLNL.

Die Studie wurde in The Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht.