آب در مقیاس روزمره ماده‌ای آشناست، اما وقتی در فضاهایی به اندازه چند اتم محصور می‌شود، ممکن است رفتارهایی از خود نشان دهد که با ویژگی‌های شناخته‌شده آن تفاوت دارند. این تغییرات فقط به حرکت مولکول‌ها محدود نیست و می‌تواند خواص الکتریکی آب، از جمله توانایی آن در قطبیده‌شدن و انتقال بار، را نیز تحت تأثیر قرار دهد. شناخت این رفتارها برای توسعه فناوری‌هایی که با انتقال یون‌ها و مولکول‌ها در فضاهای بسیار کوچک سروکار دارند، اهمیت زیادی دارد.
در همین راستا، پژوهشگران مؤسسه ملی گرافن (National Graphene Institute) در دانشگاه منچستر موفق به دریافت کمک‌هزینه پژوهشی ۱.۲ میلیون پوندی از شورای پژوهش‌های مهندسی و علوم فیزیکی بریتانیا (EPSRC) شده‌اند. این حمایت مالی در قالب کمک‌هزینه استاندارد پژوهشی اختصاص یافته و قرار است از اجرای یک پروژه سه‌ساله برای بررسی ویژگی‌های الکتریکی آب و محلول‌های الکترولیتی در فضاهای بسیار محدود پشتیبانی کند.
هدایت این پروژه بر عهده دکتر لورا فومگالی (Laura Fumagalli) است و پژوهشگرانی از دانشگاه پلی‌تکنیک میلان، دانشگاه کمبریج و شرکت آکسفورد اینسترومنتس آسایلام ریسرچ (Oxford Instruments Asylum Research) نیز در آن مشارکت دارند. در گروه پژوهشی دانشگاه منچستر، پروفسور سر آندره گایم (Andre Geim) و دکتر الساندرو پرینچی (Alessandro Principi) نیز به‌عنوان پژوهشگران همکار حضور دارند.
اهمیت این تحقیق از آنجا ناشی می‌شود که بسیاری از فرایندهای طبیعی و صنعتی به رفتار الکتریکی آب و یون‌های حل‌شده در آن وابسته‌اند. ذخیره‌سازی انرژی، واکنش‌های الکتروشیمیایی و عملکرد سامانه‌های زیستی از جمله حوزه‌هایی هستند که در آنها حرکت یون‌ها و پاسخ الکتریکی محیط آبی نقش مهمی ایفا می‌کند. با وجود مطالعات گسترده درباره آب، اندازه‌گیری مستقیم ویژگی‌های الکتریکی آن در مجاورت سطوح و به‌ویژه در فضاهایی با ابعاد اتمی همچنان دشوار است.
یکی از دلایل این دشواری، ابعاد بسیار کوچک محیط مورد مطالعه است. هنگامی که آب در یک کانال با ضخامت چند نانومتر قرار می‌گیرد، فاصله آن از دیواره‌ها به‌اندازه‌ای کم می‌شود که برهم‌کنش مولکول‌های آب با سطوح اطراف می‌تواند رفتار آن را تغییر دهد. در چنین شرایطی، ویژگی‌های آب دیگر الزاماً مشابه آب در یک حجم بزرگ و آزاد نیست. محدودشدن حرکت مولکول‌ها، تغییر آرایش آنها و اثر سطوح مجاور می‌تواند بر نحوه پاسخ آب به میدان الکتریکی و انتقال یون‌ها اثر بگذارد.
پروژه جدید بر پایه پژوهش‌های پیشین این گروه شکل گرفته است. محققان پیش‌تر بستری آزمایشگاهی توسعه داده بودند که امکان محصورکردن آب در کانال‌هایی با ضخامت اتمی و بررسی رفتار الکتریکی آن را با دقت نانومتری فراهم می‌کرد. نتایج آن مطالعات نشان داد آب در لایه‌هایی با ضخامت تنها یک تا دو نانومتر می‌تواند قطبش‌پذیری الکتریکی غیرمعمول و رسانایی بسیار بالاتری نسبت به آب در شرایط حجیم داشته باشد. این یافته‌ها پرسش‌های تازه‌ای درباره سازوکارهای فیزیکی حاکم بر آب در محیط‌های محدود ایجاد کرده است.
در مرحله جدید، پژوهشگران قصد دارند ابزارهایی بر پایه مواد دوبعدی بسازند که بتوانند آب و محلول‌های الکترولیتی را در کانال‌هایی با ضخامت بسیار کم محصور کنند. مواد دوبعدی، به دلیل ضخامت بسیار کم و قابلیت کنترل ساختار در مقیاس اتمی، بستر مناسبی برای طراحی چنین سامانه‌هایی هستند. با استفاده از این ساختارها می‌توان محیطی ایجاد کرد که در آن فاصله میان سطوح دقیقاً کنترل شود و رفتار مایعات در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گیرد.
برای اندازه‌گیری ویژگی‌های الکتریکی این محیط‌ها، از روشی به نام میکروسکوپی دی‌الکتریک روبشی (Scanning Dielectric Microscopy) استفاده خواهد شد. این روش امکان بررسی پاسخ دی‌الکتریک مواد را در مقیاس نانو فراهم می‌کند. پاسخ دی‌الکتریک نشان می‌دهد یک ماده در برابر میدان الکتریکی چگونه قطبیده می‌شود و تا چه اندازه می‌تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره یا منتقل کند. پژوهشگران با استفاده از این روش، ویژگی‌هایی مانند رسانایی و پاسخ دی‌الکتریک آب را در نقاط مختلف کانال اندازه‌گیری خواهند کرد.
یکی از بخش‌های مهم پروژه، بررسی اثر یون‌های حل‌شده بر رفتار آب محصورشده است. آب خالص و محلول‌های الکترولیتی الزاماً در شرایط محدود رفتار یکسانی ندارند. حضور یون‌ها می‌تواند بر ساختار مولکولی آب، نحوه پاسخ آن به میدان الکتریکی و سازوکار انتقال بار اثر بگذارد. محققان می‌خواهند مشخص کنند ویژگی‌های غیرمعمول مشاهده‌شده در مطالعات قبلی چگونه در حضور یون‌ها تغییر می‌کند و محدودترشدن فضای در دسترس چه تأثیری بر این رفتارها دارد.
در کنار آزمایش‌ها، مدل‌های نظری نیز برای توضیح رفتار آب و یون‌ها در این کانال‌ها توسعه داده می‌شود. ترکیب داده‌های تجربی و مدل‌سازی می‌تواند به شناسایی سازوکارهای بنیادی این پدیده‌ها کمک کند و مبنایی برای مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای فراهم آورد. به گفته پژوهشگران، یکی از اهداف پروژه ارائه داده‌های مرجع برای بهبود مدل‌های مورد استفاده در شیمی فیزیک، الکتروشیمی و علوم مولکولی است.
دکتر فومگالی درباره اهمیت این پژوهش گفته است مطالعات قبلی گروه، ویژگی‌های الکتریکی غیرمنتظره‌ای را در آب محصورشده آشکار کرده‌اند که با برداشت‌های متعارف درباره رفتار این ماده تفاوت دارند. پروژه جدید قرار است منشأ این رفتارها را بررسی کند و نشان دهد حضور یون‌های حل‌شده و محدودیت فضایی شدیدتر چگونه بر آنها اثر می‌گذارند.
نتایج این تحقیقات می‌تواند برای چندین حوزه فناوری اهمیت داشته باشد. در باتری‌ها و ابرخازن‌ها، حرکت و توزیع یون‌ها در محیط‌های متخلخل بر عملکرد ذخیره‌سازی انرژی اثر می‌گذارد. در پیل‌های سوختی نیز انتقال یون‌ها از میان ساختارهای غشایی یکی از فرایندهای کلیدی است. غشاهای مورد استفاده در تصفیه آب و سامانه‌های نانوسیالی نیز به حرکت کنترل‌شده آب و یون‌ها در منافذ بسیار کوچک وابسته‌اند.
حوزه دیگری که ممکن است از این پژوهش بهره ببرد، فناوری‌های یون‌ترونیک است. در این سامانه‌ها، برخلاف مدارهای الکترونیکی متداول که عمدتاً از حرکت الکترون‌ها برای انتقال و پردازش سیگنال استفاده می‌کنند، یون‌ها نقش حامل اطلاعات را بر عهده دارند. شناخت دقیق‌تر رفتار یون‌ها در محیط‌های آبی و کانال‌های نانومتری می‌تواند به طراحی ابزارهای جدید برای پردازش سیگنال، حسگری و سامانه‌های زیستی کمک کند.
در نهایت، این پروژه بیش از آنکه مستقیماً به ساخت یک محصول صنعتی مشخص منجر شود، به دنبال روشن‌کردن مبانی فیزیکی رفتار آب در ابعاد بسیار کوچک است. دستیابی به درک دقیق‌تر از رسانایی، قطبش‌پذیری و برهم‌کنش آب با یون‌ها و سطوح می‌تواند داده‌های بنیادی موردنیاز برای طراحی نسل آینده فناوری‌های انرژی، تصفیه آب و سامانه‌های نانوسیالی را فراهم کند.