Wetenskaplikes het nog 'n wonderlike gedragseienskap van water blootgelê – toe dit hierdie keer ingeperk is tot op nanoskaalvlak by temperature onder vriespunt.
Die bevinding dat 'n materiaal geredelik water teen -70 °C kan vrystel, vandag in Nature gepubliseer, hou groot implikasies in vir die ontwikkeling van materiale en chemikalieë wat ontwerp word om water uit die atmosfeer te kan onttrek.
'n Span van supramolekulêre chemici van die Universiteit Stellenbosch (SU) in Suid-Afrika het die ontdekking gemaak terwyl hulle besig was om die uitsonderlike gedrag van 'n kristal te bestudeer wat omtrent tien jaar gelede hul aandag getrek het. Die chemici is Dr Alan Eaby, Prof. Catharine Esterhuysen en Prof. Len Barbour van die US se Departement Chemie en Polimeerwetenskap.
“Ons is tans goed met die ontwerp van materiale wat water kan adsorbeer," verduidelik Prof. Barbour. Dit is egter baie moeiliker om daardie materiale so ver te kry om weer daardie water vry te stel teen kostedoeltreffende temperature. Tans moet materiale wat water insluit tot hoë temperature verhit word om die vrylating van water binne 'n redelike tydraamwerk te bewerkstellig, waarvan die laagste tans 35 °C is.
Die kristal onder bespreking is oorspronklik gesintetiseer deur Prof. Marcin Kwit, 'n spesialis in organiese stereochemie by die Adam Mickiewicz Universiteit in Pole en is uit nuuskierigheid deur 'n nadoktorale genoot, Dr Agnieszka Janiak, na Prof. Barbour se laboratorium gebring. Dit was as gevolg van Prof. Barbour se belangstelling in die eienskappe van ringvormige molekules en hoe hulle gate of kanale vorm wanneer hulle saamgepak is.
Dr Janiak, wat opgemerk het dat die krsitalle op sommige dae geel was en op ander tye rooi, het Prof Barbour eerste op die ongewone kleurveranderingsgedrag van die kristalle gewys. Dit het hulle nie lank geneem om agter te kom dat die kristalle slegs rooi sou word op dae met 'n hoë humiditeit nie. Sodra die humiditeitvlakke onder 55% sou daal, het die kristalle weer terug na geel verander.
“Hierdie gedrag was nie net ongewoon nie," verduidelik Prof. Barbour, “maar dit het ook baie vinnig gebeur. Dit het geblyk dat die kristal water net so vinnig geadsorbeer het as wat dit die water weer verloor het. Alhoewel ons vertroud was met materiale wat ontwerp is om water te adsorbeer, is dit baie ongewoon vir 'n materiaal om albei te doen."
Sy belangstelling was geprikkel: Wat het hierdie verbinding sulke spesiale eienskappe gegee? Dit was die begin van 'n byna tien jaar lange ondersoek, wat aanvanklik gefokus het op die verklaring van die meganisme agter hierdie gedrag, in samewerking met medewerker Prof. Esterhuysen en MSc-student Dirkie Myburgh. Met sulke spesiale eienskappe was Prof. Barbour daarvan oortuig dat die verbinding vir iets interessants gebruik kon word.
Dit is toe wat PhD-student Alan Eaby met hierdie materiaal begin eksperimenteer het. Aanvanklik het sy waarnemings vir sy MSc-studies op die gedrag van die kristal onder kamertemperatuur gefokus. Vir sy PhD het so drie jaar terug gefokus op wat teen laer temperature gebeur. Hy was nuuskierig oor hoe dit sou optree by verskillende temperature en humiditeitsvlakke. “Ek het veral in die kleurverandering belanggestel, en wou verstaan wat op atomiese vlak gebeur," verduidelik hy.
Met dié dat hy meer van instrument- en metode-ontwikkeling by Prof. Barbour geleer het, het hy begin om nie-standaard tegnieke te ontwikkel om die meganismes betrokke by die opneem en vrylating van water in die materiaal te verstaan.
Een dag het hy gemerk dat iets vreemds by temperature onder water se vriespunt gebeur. “Ek het opgemerk dat die kristal selfs teen temperature onder vriespunt steeds van kleur verander. Ek het aanvanklik gedink dat daar iets fout is met die eksperiment se opstelling of die temperatuurbeheer, aangesien dit nie veronderstel was om met water onder normale vriespunt te gebeur nie," verduidelik hy.
Nadat hy die eksperimentele opstelling verskeie kere aangepas het, en vele gesprekke en koffiepouses met Profs Barbour en Esterhuysen later, het hulle besef dat Alan se waarnemings verklaar kon word deur die noute van die kanale in die materiaal. Die nanogrootte kanale in die kristal is slegs een nanometer wyd – eenduisend keer kleiner as die omtrek van 'n menshaar.
Dit was alreeds bekend dat water op 'n nanoskaal vloeibaar kan bly teen temperature laer as 0 °C. Hierdie studie het egter vir die eerste keer getoon dat, op nanoskaal, sulke kanale die opname en vrylating van water by temperature ver onder die normale vriespunt toelaat.
Om hierdie proses te verstaan, het Dr Eaby 'n uitgebreide ondersoek van sistematiese reekse X-straaldiffraksiestudies van die rooi en geel kristalle teen verskillende temperature onderneem.
Dit het hom toegelaat om rekenaar-gebaseerde animasies op atomiese-skaal te genereer van wat met die kanale gebeur wanneer dit aan warmer of koeler temperature blootgestel word. Hierdie animasies het getoon dat water molekules in die nanokanale vrylik beweeg totdat dit afgekoel word na -70°C, waarna dit 'n “omkeerbare struktureringsgebeurtenis" na 'n glasagtige toestand ondergaan. Hierdie “glasoorgang" veroorsaak dat die water vasgevang word in die materiaal teen temperature onder -70 °C .
As dit nie in die eerste plek vir die kleurveranderingsgedrag van die kristal was nie, sou hulle nie van hierdie feit bewus geraak het nie: “Wie weet," sê Prof. Barbour, “daar mag dalk ander materiale wees met dieselfde eienskappe en die vermoë om water by lae temperature te adsorbeer en vry te stel, soos metaal-organiese raamwerke en kovalente organiese raamwerke. Ons sal eenvoudig nie daarvan weet nie, omdat ons dit nie kon waarneem nie".
Noudat hulle wel weet, maak dit 'n hele nuwe veld van navorsing en potensiële toepassings oop.
“Noudat ons aangetoon het dat dit moontlik is vir 'n materiaal om by sulke lae temperature water vry te stel, is dit moontlik om ander materiale te vind en die beginsels te gebruik wat ons ontwikkel het om die vrystelling van water by lae temperature te verfyn. Dit kan lei tot dramatiese vermindering in die energiekoste verbonde aan die onttrekking van water uit die atmosfeer, met implikasies vir die samelewing en die omgewing," sluit hy af.
Op die carousel bo: Dr Alan Eaby, Prof. Catharine Esterhuysen en Prof. Len Barbour, chemici in die US se Departement Chemie en Polimeerwetenskappe. Foto: Wiida Basson
Grafika bo regs: Fotomikrografika van 'n aanvanklike rooi kristal wat wys hoe dit oorgang na geel tydens dehidrasie teen -20 °C. Grafika: Alan Eaby, eerste gepubliseer in Nature, Vol. 616, 13 April 2022, deur Springer Nature.
