Nanometre ölçeğinde kanallar içine hapsolmuş su, büyük hacimlerdeki sudan çok farklı davranır. Bu durum uzun süredir bilinmekle birlikte, bilim insanları bu farklılığı genellikle geometrik sıkışıklık ve düşük boyutlulukla açıklıyordu. Ancak yeni bir araştırma, bu tablonun eksik olduğuna işaret ediyor.
Makine öğrenmesi tabanlı atomlar arası potansiyeller kullanan araştırmacılar, iki grafenin tabakası arasına sıkıştırılmış suyun yoğunluk-sıcaklık faz diyagramını hesapladı. Çalışmanın kilit noktası, grafenin tabakalarının birbirine göre iki farklı biçimde dizilmesinin —AA ve AB yığılması— su üzerindeki etkilerinin karşılaştırılmasıydı.
AA yığılmasında grafenin tabakasının her iki karbon atomu da tam üst üste gelirken, AB yığılmasında tabakalar birbirine göre yalnızca 1.4 angström kaymış durumda. Bu, atomik ölçekte son derece küçük bir farktır. Ne var ki sonuçlar şaşırtıcıydı: AA yığılması, suyun farklı buz polimorfları oluşturmasına imkân tanırken, aynı zamanda erime sıcaklığını 100 Kelvin'den fazla artırabiliyor ve proton transferini güçlendiriyor. Bunun yanı sıra superionic —yani protonların serbest hareket edebildiği, oksijen atomlarının ise düzenli yapıda kaldığı— bir faza geçiş koşulları da iki dizilim arasında belirgin biçimde farklılaşıyor.
Araştırmacılar bu etkileri, yığılma düzeninin hidrojen bağ ağını nasıl yeniden şekillendirdiğiyle ilişkilendiriyor. Yani suyun nasıl davranacağını belirleyen şey yalnızca ne kadar dar bir kanala sıkıştırıldığı değil, aynı zamanda kanal yüzeyinin atomik topolojisi.
Birinci prensiplerle uyumlu doğruluğa sahip makine öğrenmesi potansiyellerinin kullanılması, bu tür hesaplamaları daha önce mümkün olmayan bir ölçekte gerçekleştirmeye olanak tanıdı. Sonuçlar, nanometre ölçeğinde su kanallarının tasarımında malzemenin kimyasının ve geometrisinin birlikte ele alınması gerektiğine dair güçlü bir kanıt sunuyor.
Bu keşfin pratik yansımaları nanoakışkan sistemleri, proton iletken zarlar, su arıtma teknolojileri ve enerji depolama uygulamaları gibi alanlara uzanabilir. Grafenin bazlı yapıların atomik ölçekteki detaylarını kontrol etmek, gelecekte su yönetimi sistemlerinde yeni bir tasarım parametresi haline gelebilir.