Su, Dünya’nın en tanıdık maddelerinden biri olmasına rağmen, özellikle protein içleri, mineral gözenekleri ve yapay nanomalzemelerin dar boşluklarında beklenmedik davranışlar sergiliyor. Bu hapsetme etkileri, hücre zarlarındaki iyon akışını düzenlemesinden nanofluidik sistemlerin verimini belirlemesine kadar hem doğa hem de teknoloji için kritik önem taşıyor. Bu ölçeklerde suyun nasıl davrandığını anlamak, biyolojik yenilikler ve ileri malzemeler için anahtar kabul ediliyor.
NANO GÖZENEK DÜNYASI
Bu bağlamda en ilgi çekici ara evrelerden biri, suyun aynı anda donma ile erime arasında gidip geldiği ve klasik 'sıvı/katı' ayrımına uymayan 'ön erime durumu'. Ancak geleneksel teknikler, hidrojen atomlarının hızlı hareketlerini yeterince yakalayamadığından, bu fazı net biçimde incelemek zor kalıyordu. Tokyo Bilim Üniversitesi’nden Prof. Makoto Tadokoro, Öğr. Gör. Fumiya Kobayashi ve doktora öğrencisi Tomoya Namiki liderliğindeki ekip, bu engeli aşan bir düzeneğe imza attı.
NMR İLE GÖZLEM
Araştırmacılar, yaklaşık 1,6 nanometre genişliğinde kanallara sahip altıgen çubuk benzeri kristaller üretti ve bu nano gözenekleri ağır su (D₂O) ile doldurdu. Oda sıcaklığında NMR spektroskopisi ölçümleri, gözenek içindeki suyun üç katmanlı bir yapı sergilediğini; her katmanın farklı hareketlilik ve hidrojen bağı etkileşimleri taşıdığını ortaya koydu. Veriler, nano kanallar içindeki suyun büyük buzdan farklı bir yapıda donduğunu; bozulmuş hidrojen bağları üzerinden erimeyi tetikleyerek ön erime fazını oluşturduğunu gösterdi.
ÜÇ KATMAN YAPI
Ekip, kristali donmuş halden sıvı hale kademeli ısıtarak geçişi gerçek zamanlı izledi ve görünüşte çelişkili iki durumun eşzamanlı varlığını doğruladı. Tanımlamaya göre ön erime, tamamen donmuş buz kafesi erimeye başlamadan önce, eksik hidrojen bağlarına sahip H₂O’nun erimesini içeriyor; böylece donmuş H₂O tabakaları ile yavaşça hareket eden H₂O birlikte bulunuyor. Bu, sınırlı su için özgün bir ara faz niteliği taşıyor.
MOLEKÜLER DİNAMİK İPUÇLARI
Araştırmacılar, söz konusu fazda ağır su moleküllerinin dönme hareketliliğini de ölçtü. Aktivasyon enerjisinin büyük buzunkinden farklı, ancak korelasyon süresinin büyük sıvı suya yakın olduğu belirlendi. Basitçe ifade edilirse, moleküller katı benzeri konumlarda sabitlenmiş, fakat sıvı benzeri hızlarda dönebiliyor. Bu bulgu, kapalı suyun yapısal ve dinamik doğasına dair eksik parçaları tamamlıyor.
TEKNOLOJİYE AÇILIM
Sonuçlar, biyolojinin ötesinde malzeme ve enerji teknolojileri açısından da geniş ufuklar sunuyor. Prof. Tadokoro ve ekibi, yeni buz ağı yapıları tasarlayarak hidrojen ve metan gibi enerjik gazların depolanabileceğini; yapay gaz hidratları gibi su bazlı malzemelerin geliştirilebileceğini değerlendiriyor. Suyun donma/erime özellikleri üzerinde bu ölçekte kontrol, daha güvenli ve verimli malzemelerin yolunu açabilir; enerji depolama ve nanoteknoloji uygulamalarını dönüştürebilir.
