In een koolstofnanobuisje kan het vriespunt van water oplopen tot boven de 100 ºC. MIT-onderzoekers hebben het gemeten maar snappen doen ze het niet, bekennen ze in Nature Nanotechnology.

Voor het feit dat watermoleculen überhaupt binnendringen in een nanobuisje dat te boek staat als hydrofoob, is eigenlijk ook nog geen verklaring bedacht- maar dat is een ander onderwerp.

Dát het vriespunt zou stijgen in een ruimte met de diameter van zo’n buisje hadden ze wél verwacht. Bij minder dan ongeveer 2,5 nm diameter gaat de klassieke thermodynamica niet meer op, omdat interacties tussen de wand en de watermoleculen het beeld gaan overheersen. Maar computersimulaties suggereerden tot nu toe dat het vriespunt hooguit zou uitkomen op kamertemperatuur.

Michael Strano en collega’s hebben er nu voor het eerst daadwerkelijk aan gemeten, met behulp van Ramanspectrometrie. Ze keken specifiek naar de Raman radial breathing mode, een signaal waarvan de frequentie verschuift als het buisje vol water loopt én wanneer dat water overgaat van een vloeibare naar een vaste fase (‘ijs’ mag je het niet noemen want met zo weinig watermoleculen krijg je geen serieuze kristalstructuur). Echt nauwkeurig werkt het niet, maar het is beter dan niets.

Ze hadden zes verschillende enkel- en dubbelwandige buisjes ter beschikking, met binnendiameters die uiteenliepen van 1,05 tot 1,52 nm. En die diameter bleek er heel erg toe te doen. In het nauwste buisje liep het smeltpunt op tot ergens tussen de 105 en 151 ºC. Maar bij buisje twee, met een diameter van 1,06 in plaats van 1,05 nm, zakte de waarde tot ergens tussen 87 en 117 ºC.

Liep de diameter verder op, dan daalde het vriespunt snel verder. In een buisje van 1,15 nm zat het ergens tussen de -35 en +10 °C. In dat van 1,24 nm hebben de onderzoekers zelfs geen bevriezingsverschijnselen meer kunnen meten. Daarna ging de waarde weer oplopen: de grootste buisjes zat het vriespunt rond kamertemperatuur.

Zowel die daling als de daaropvolgende stijging waren voorspeld door de simulaties. De hoge waarden rond 1,05 nm diameter echter niet. De illustratie suggereert dat bij deze diameter de gestapelde watermoleculen precies mooi klem komen te zitten, maar zeker is dat allerminst.

bron: MIT