Wetenschappers hebben een nieuwe norm gesteld voor het vriespunt van water bij -70°C

Wetenschappers ontdekten nog een verbazingwekkend aspect van het vreemde en wonderbaarlijke gedrag van water – dit keer toen ze werden blootgesteld aan opsluiting op nanoschaal bij temperaturen onder nul.

De ontdekking dat een kristallijne substantie gemakkelijk water kan afgeven bij temperaturen tot -70°C, werd gepubliceerd in het tijdschrift. natuur Op 12 april zal het grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van materialen die zijn ontworpen om water uit de atmosfeer te halen.

Een team van supramoleculaire chemici aan de Universiteit van Stellenbosch (SU), bestaande uit dr. Alan Eby, professor Katherine Esterhosen en professor Lynne Barbour, deed de ontdekking terwijl ze probeerden het vreemde gedrag te begrijpen van een type kristal dat hun interesse voor het eerst wekte. tien jaar geleden.

“Wetenschappers zijn momenteel erg goed in het ontwerpen van materialen die water kunnen opnemen”, legt Barbour uit. “Het is echter heel moeilijk om deze stoffen (die we ‘hydraten’ noemen) water te laten afgeven zonder energie in de vorm van warmte te hoeven leveren. Zoals we allemaal weten, is energie duur en zelden helemaal ‘groen’. ”

De chemische verbinding in kwestie werd oorspronkelijk gesynthetiseerd door professor Marcin Kuet, die gespecialiseerd is in organische stereochemie aan de Adam Mickiewicz Universiteit in Polen. Het werd vervolgens gekristalliseerd en naar het laboratorium van Barbour gebracht voor verdere studie door postdoctoraal collega Dr. Agnieszka Janiak. Dit was voornamelijk te danken aan Barbour’s interesse in ringvormige moleculen en hoe ze kanalen vormen wanneer ze worden gegroepeerd tot kristallen.

Het viel Janiac op dat de kristallen op sommige dagen geel en op andere dagen rood waren. Het duurde niet lang om erachter te komen dat de kristallen alleen rood zouden worden op dagen met een luchtvochtigheid van meer dan 55%. Wanneer het vochtgehalte onder dit niveau zakt, worden de kristallen geel.

“Dit gedrag was niet alleen ongewoon,” legt Barbour uit, “het gebeurde ook heel snel. Het lijkt erop dat de kristallen bij hoge luchtvochtigheid net zo snel water opnamen als dat ze het weer verloren bij lage luchtvochtigheid. Hoewel we bekend zijn met ontworpen materialen om water te absorberen, is ongebruikelijk.” Het is heel gemakkelijk om een ​​materiaal dat net zo gemakkelijk water opneemt, kwijt te raken.

Waarom hebben deze kristallen zulke bijzondere eigenschappen? Met deze vraag begon een bijna tien jaar durend onderzoek dat zich aanvankelijk richtte op het verklaren van het mechanisme achter de kleurverandering. Theoretische modellering door Esterhuysen en MS-student Dirkie Myburgh toonde aan dat waterabsorptie subtiele veranderingen in de elektronische eigenschappen van de kristallen veroorzaakt, waardoor ze rood kleuren. Met zulke opmerkelijke eigenschappen was Barbour ervan overtuigd dat de kristallen ook andere interessante eigenschappen zouden hebben.

Dat was toen Ph.D. Student Alain Aibi begon zich te verdiepen in de stof. Aanvankelijk had hij zich voor zijn masteronderzoek gericht op kamertemperatuurstudies, maar later richtte hij zijn aandacht op het meten van eigenschappen bij lagere temperaturen toen hij overging tot het behalen van zijn Ph.D. Drie jaar geleden. Hij wilde weten hoe de kristallen zich zouden gedragen bij blootstelling aan verschillende temperaturen en vochtigheidsniveaus: “De kleurverandering intrigeerde me en ik wilde onderzoeken wat er op atomair niveau gebeurde”, legt hij uit.

Nadat hij van Barbour had geleerd over de ontwikkeling van gereedschappen en methoden, ging hij verder met het gebruik van niet-standaardtechnieken om de mechanismen van wateropname en -afgifte in materie te begrijpen.

Op een dag merkt hij dat er iets vreemds gebeurt bij temperaturen onder nul graden Celsius. “Ik merkte dat het kristal nog steeds van kleur veranderde bij temperaturen onder nul. Eerst dacht ik dat er iets mis was met de opstelling van de piloot of de temperatuurregelaar, omdat kristalhydraten bij zulke lage temperaturen geen water zouden moeten afgeven”, legt hij uit. .

Na vele gesprekken en koffiepauzes met Barbour en Esterhuysen, en het verschillende keren aanpassen van de experimentele opstelling, realiseerden ze zich dat Alans observaties konden worden verklaard door smalle kanalen in het materiaal. De kanalen in het kristal zijn slechts een nanometer breed – een duizendste van de diameter van een mensenhaar.

Op nanoschaal was al bekend dat water mobiel kan blijven in kanalen bij temperaturen onder 0 °C. Deze studie toonde echter voor het eerst aan dat dergelijke kanalen ook opname mogelijk maken En Het vrijkomen van water bij temperaturen ver onder het normale vriespunt.

Om dit proces te begrijpen, voerde Ebbe een uitgebreide en systematische reeks röntgendiffractiestudies uit van rode en gele kristallen bij verschillende temperaturen en vochtigheid. Hierdoor kon hij met nauwkeurigheid op atomaire schaal een door de computer gegenereerde “film” maken van wat er met de kanalen gebeurt bij afkoeling of verwarming, en in aan- of afwezigheid van water. Deze animatie gaf aan dat de watermoleculen in de nanokanalen vrij bewogen totdat ze waren afgekoeld tot -70 °C, waarna ze een “omgekeerde structurele gebeurtenis” zouden ondergaan om op de glasachtige toestand te lijken. Deze “glasovergang” zorgt er uiteindelijk voor dat er bij temperaturen onder de -70°C water in het materiaal vast komt te zitten.

Als het kleurveranderende gedrag van de kristallen niet in de eerste plaats was geweest, zouden ze het waterverliesvermogen bij extreem lage temperaturen niet hebben gerealiseerd. “Wie weet”, zegt Barbour, “misschien zijn er nog veel andere materialen die water kunnen absorberen en afgeven bij zeer lage temperaturen, zoals MOF’s en covalente organische raamwerken.

“We weten er gewoon niets van omdat we ze niet konden visualiseren. Nu we weten dat dergelijk gedrag mogelijk is, opent het een heel nieuw gebied van onderzoek en mogelijke toepassingen. Onderzoekers kunnen deze nieuwe informatie gebruiken om materialen te identificeren met vergelijkbare eigenschappen, en de principes gebruiken die we hebben ontwikkeld om de afgifte van water bij lagere temperaturen te verfijnen. Dit zou kunnen leiden tot aanzienlijke verlagingen van de energetische kosten van het oogsten van water naar de atmosfeer, met gevolgen voor de samenleving en het milieu, ” concludeert hij.