Badania: Fale terahercowe wpływają na dynamikę wody zamkniętej w nanoskali

podsumowanie

Woda zamknięta charakteryzuje się niską przenikalnością statyczną nanowzóru, głównie z powodu efektów międzyfazowych rozciągających się wokół jednego nanometra. Charakterystyczna skala długości może być znacznie dłuższa w trybie terahercowym (THz), gdzie występuje dynamika grupowa dalekiego zasięgu; Jednakże dynamika THz pozostaje w dużej mierze niezbadana ze względu na brak solidnej platformy. Tutaj używamy nanoprzerw w pierścieniu metalowym, aby znacznie wzmocnić interakcje światła z materią i dokładnie zmierzyć rzeczywiste i urojone współczynniki załamania światła T Hz nanoograniczonych wód przy szerokościach szczelin od 2 do 20 nm, rozciągających się głównie do wód międzyfazowych aż do wody półmasowej . Odkryliśmy, że oprócz dobrze znanego efektu powierzchniowego, efekt zamknięcia również znacząco przyczynia się do zmniejszenia złożonych współczynników załamania światła nanoskażonej wody poprzez przerywanie trybów wibracji o niskiej energii, nawet przy szerokości szczeliny do 10 nm. . Nasze odkrycia dostarczają cennych informacji na temat zbiorowej dynamiki cząsteczek wody, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia procesów, w których pośredniczy woda.

Profesor Hyung Ryul Park i jego zespół badawczy na Wydziale Fizyki UNIST, we współpracy z badaczami z Uniwersytetu Narodowego Kangwon, Uniwersytetu Narodowego Chungbuk i Uniwersytetu Narodowego w Seulu, dokonali przełomowego odkrycia dotyczącego zachowania cząsteczek wody uwięzionych w nanostrukturach. Badanie, opublikowane 24 kwietnia w internetowym wydaniu Science Advances, rzuca światło na wpływ fal terahercowych na dynamikę cząsteczek wody uwięzionych w dwuwymiarowych przestrzeniach wewnątrz nanorezonatorów.

W badaniu tym wziął udział profesor Jeon Jeong z Uniwersytetu Narodowego Kangwon wraz z grupą interdyscyplinarnych naukowców, w tym profesorami Dae-Sik Kim z Noijong Park i Junwoo Jeong z UNIST, profesorem Kyungwan Kim z Uniwersytetu Narodowego Chungbuk i profesor Yoon Daniel. Park z Uniwersytetu Narodowego w Seulu. W tym badaniu zespół badawczy wykorzystał innowacyjne techniki do badania zbiorczej dynamiki cząsteczek wody na poziomie nanoskali.

Wykorzystując nanoszczeliny z metalowymi pierścieniami do wzmocnienia interakcji między światłem a materią, zespół był w stanie zmierzyć rzeczywiste i urojone współczynniki załamania światła nanoograniczonej wody w różnych szerokościach szczelin, w zakresie od 2 do 20 nanometrów. Ta wszechstronna analiza zapewniła wgląd w wzajemne oddziaływanie efektów międzyfazowych i uwięzienia na złożone współczynniki załamania światła nanoskażonej wody, podkreślając tłumienie niskoenergetycznych modów wibracyjnych nawet przy większych szerokościach szczelin.

Główny autor Hyosim Yang z UNIST podkreślił znaczenie badania, mówiąc: „Podczas gdy poprzednie badania skupiały się na elektrycznych pomiarach właściwości wody o niskiej częstotliwości, nasze badanie zagłębia się w dynamikę cząsteczek wody zamkniętych w wąskich szczelinach przy wysokich częstotliwościach terahercowych, ujawniając nową powieść”. zjawiska.”

Innowacyjne wykorzystanie przez zespół technologii litografii warstw atomowych umożliwiło wytworzenie nanorezonatorów szczelinowo-przerwowych o wielkości zaledwie jednego nanometra, znacznie zwiększając czułość pomiarów ruchu molekularnego. Wyniki eksperymentów nie tylko potwierdziły tłumienie pikosekundowej dynamiki cząsteczek wody przez efekty międzyfazowe w odstępach poniżej 2 nm, ale także ujawniły zmniejszony ruch agregacji w odstępach 10 nm, co dodatkowo tłumiło dynamikę.

Współautor Gangsun Ji z UNIST podkreślił implikacje badań, mówiąc: „To badanie ujawnia podwójny wpływ mechanizmów międzyfazowych i uwięzienia na dynamikę wody w zamkniętych przestrzeniach w skali nano oraz zapewnia nowe perspektywy na zachowania ciał stałych wykazywane przez ograniczoną wodę Cząsteczki.”

Profesor Park podkreślił szersze implikacje badania, wskazując na jego potencjalne zastosowania w badaniu superfaz dwuwymiarowych cząsteczek wody i badaniu dynamiki molekularnej w rozpuszczalnikach, takich jak DNA i RNA. Badanie otwiera możliwości rozszerzenia tych badań na obszary światła podczerwonego i średnio widzialnego poprzez dostosowanie rozmiaru nanorezonatorów.

Badanie stanowi poważny postęp w zrozumieniu zbiorowej dynamiki cząsteczek wody w nanoskali, torując drogę przyszłym badaniom w pokrewnych dziedzinach. Prace te były wspierane przez Koreańską Narodową Fundację Badawczą (NRF), Ministerstwo Nauki i ICT (MSIT), Instytut Planowania i Ewaluacji ICT (IITP), UNIST i Gangwon Technopark (GWTP).

Odniesienie do czasopisma

Hyosim Yang, Jang Seon Ji, Min Choi i wsp., „Suppressed terahertz dynamics of water ograniczona in nanometer gaps”, Science Progress, (2024).