MIT’li araştırmacılar suyu yüksek sıcaklıklarda kaynaması gerekirken çok küçük karbon nanotüpler içinde katıya dönüştürdü.
Fen bilgisi derslerinde öğrenilen ve ilk akla gelen bilgilerdendir, deniz seviyesinde su 0 °C’de donar ve 100 °C’de kaynar. Bu bilgi normal şartlar altında doğrudur. Ancak teknoloji ve mühendislik alanında dünyanın en önemli birkaç üniversitesinden biri olarak kabul edilen MIT’den araştırmacılar karbon nanotüplerin içinde barındırılan suyun kaynama noktasının üstündeki sıcaklıklarda aslında dondurulabileceğini buldular. Peki ne gerek var diye düşünebilirsiniz. Yani 105 °C’de veya 150 °C’de suyu niye dondurmaya ihtiyaç duyabiliriz ki?
İçi buz dolu bir tel düşünün, oda sıcaklığında bu şekli ile kalıyor ve aynı zamanda buzun eşsiz elektriksel ve termal özelliklerine de sahip. Dolayısıyla buzun bu özelliklerini oda sıcaklığında kullanarak yeni uygulama alanları geliştirebilirsiniz. Tuhaf geliyor değil mi? Ama böyle olması da normal.
Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan ve MIT Kimya Mühendisliği Bölümü araştırmacıları tarafından hazırlanan bir makalede suyun karbon nanotüp gibi çok küçük boşluklarda sınırlandığında kaynama noktası dahil yüksek sıcaklıklarda bile katılaşıp donabildiği gösterildi. Bir karbon nanotübün içini dolduracak kadar sudan bahsediyorsak elbette bu birkaç su molekülünden daha fazlası değil.
Aslında bu mesele çok da yeni bir konu değil. Bilim insanları uzun zamandır suyun çok küçük boşluklar içine hapsedildiğinde onun kaynama ve donma noktalarının bir parça değiştiğini, 10 °C civarında ya artıyor ya da azalıyor, uzun süredir gözlemliyordular. Ancak bu defa MIT’li araştırmacılar alışıla gelmişin dışına çıkarak suyu çok ama çok daha küçük bir yere, bir karbon nanotübün içine hapsederek bu değişimi görmeye çalıştılar.
Diğer taraftan bir maddenin katı, sıvı ve gaz halleri arasındaki geçişinde tek önemli faktör sıcaklık değildir. Hatırlayın, yazının başında normal şartlar altında vurgusu yapmıştım. Basınç da suyun kaynama veya donma noktası üzerinde etkisi olan ayrıca önemli başka bir parametredir. Çok küçük bir boşluğun, bir kavitenin içine suyu sıkıştırmakla onun buharlaşması yerine katılaşmasını bir anlamda bekleyebilirsiniz. Bu çalışmada ise bu etki yani maddenin halindeki değişimle ilgili etki herkesin beklediğinden çok fazla oldu. Yani hal değişimi bekleniyordu zaten ama çalışma içerisinde görüldü ki, değişimin şiddet ve yönü herkes için şaşırtıcı oldu. Örneğin, donma noktasının düşmesi beklenirken arttığı gözlendi. Yapılan deneylerin birinde, suyun 105 santigrat derece veya üzerinde katılaştığı gözlendi. Görünen o ki, MIT’nin web sitesindeki haberde yapılan yoruma göre kesin sıcaklığı belirlemek de zor. Ancak 105 °C en küçük değer olarak düşünülüyor ve asıl sıcaklık 151 °C kadar yüksek olabilir. Şaşırtıcı değil mi? Nanometre ölçeğinde, bir saç telinin belki de 60 binde biri kadar büyüklükte suyu barındırdığınızda kaynama noktasının çok üzerinde katı halde!
Araştırmanın bir başka bulgusu da karbon nanotüplerin büyüklüğünün bu olay üzerindeki etkisi üzerine. Nanotüplerin 1.05 nanometre ve 1.06 nanometre çapları arasındaki fark bile suyun donma noktasında onlarca santigratlık farka neden olabiliyor. Araştırmacılara göre, bu aşırı farklılıklar da tamamen beklenmedik. Araştırmacılardan profesör Michael Strano bu beklenmedik bulgular üzerine, “Her şey çok küçük olduğunda, tüm bahisler kapalı. Bu dünya gerçekten keşfedilmemiş bir yer.” açıklamasında bulunuyor.
Şaşırtıcı bulgulara bir yenisini daha ekleyelim. Bu deneyin oluş şekli bile gizemli aslında. Çünkü karbon nanotüplerin hidrofobik yani su itici olduğu düşünülür. Bu su moleküllerinin bu karbon nanotüplerin içine girmesi oldukça zor olmalı. Peki, nasıl girdiler? İşte bu noktada bir parça gizem var. Ancak araştırmacılar titreşimsel spektroskopi adı verilen bir teknik kullanarak yüksek duyarlı görüntüleme sistemleri ile nanotüpler içindeki suyun hareketini izleyebildiler. Bu böylece ilk defa gerçekleşmiş oldu. Bu sırada araştırmacılar sadece suyun varlığını değil aynı zamanda hangi hâlde olduğunu da tespit ettiler. Araştırmacılar buz terimini kullanmaktan kaçınsalar da suyun katı halde olduğu bulgusunu elde ettiler. Buz olarak tanımlamıyorlar çünkü bu belirli bir kristal yapısıdır ve böyle bir yapıyı bu kadar küçük ve sınırlı alanlarda kesin olarak gösterebilme imkanları yok. Ancak, gözlemlenen suyun katı halini buz-benzeri bir hal olarak belirtmeyi seçiyorlar.
Gelelim bu araştırmanın sonuçları günlük hayatımıza bir etki eder mi sorusuna. Muhtemelen günlük hayatımızda etkileri olacak. Ancak, nasıl ve ne zaman olacağı, elbette belirsiz. Belki de bu çalışma gelecekteki bir uygulamanın zeminini oluşturdu, bunun olup olmayacağını ancak zamanla göreceğiz. Şu an, araştırmacıların söylediği oda sıcaklığı koşullarında elimizde mükemmel kararlı “katı su” var. Karbon nanotüpler kullanarak bu katı sudan “buz teller”i yapmak mümkün. Buz telleri de bilinen en iyi proton taşıyıcıları arasında olduğuna göre gelecekte tıpkı elektronik gibi protonik uygulamaları görmek mümkün olabilir. Çünkü su bildiğimiz iletken malzemelerden en azından kat daha iyi proton iletebiliyor. Hali hazırda günümüz proton iletkenleri bazı yakıt hücrelerinde kullanılıyor.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
David L. Chandler, Inside tiny tubes, water turns solid when it should be boiling, MIT News, Erişim tarihi: 29.11.2016
Michael Irving, Carbon nanotubes make water freeze solid at boiling temperatures, New Atlas
K.V. Agrawal et al. Observation of extreme phase transition temperatures of water confined inside isolated carbon nanotubes, Nature Nanotechnology, 28 November 2016
https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_conductor
Image credit: MIT
