In situ multidiagnostische karakterisering van nano-besloten water met behulp van NMR/DRS- en X-RAY/DRS-methoden

Literatuur, verspreid over tientallen jaren en verspreid over vele onderzoeksgebieden, onthult dat de supramoleculaire structuur en solvatatie-eigenschappen van water in verschillende mate kunnen worden gewijzigd door nano-opsluiting. Hoewel de studies van deze uitzonderlijke waterstructuren en verhoogde concentraties van opgeloste verbindingen overtuigend zijn, blijven de onderliggende mechanismen en interacties slecht begrepen. Opsluiting in een hydrofoob nanovolume is duidelijk een manier om reorganisatie van de gehele waterstofbindingsstructuur van de afgesloten waterfase op te leggen. De specifieke rol van de interface, het volume en de vorm van de nanoruimte op het gedrag van beschut water kan niet genoeg worden benadrukt. Zoals vermeld in verschillende publicaties, wordt het effect van opsluiting spectaculair bij afmetingen van 1-10 nm. Daar is de verhouding tussen oppervlakte en volume groot genoeg om een aanzienlijke modulatie van de fysieke eigenschappen van hele waterlichamen te produceren. Diëlektrische eigenschappen en waterstofbindingsnetwerk van nano-begrensd water kunnen worden gekarakteriseerd met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS), diëlektrische relaxatiespectroscopie (DRS) en 1H NMR tijdens waterdampadsorptie en vloeibaar waterintrusie-extrusiecycli. Meting van de impedantie (EIS) maakt een eenvoudige breedbanddetectie mogelijk van relevante veranderingen in de (diëlektrische) eigenschappen van een beschut watersysteem. DRS vult deze informatie aan met de evolutie van de complexe diëlektrische eigenschappen van water en zijn diëlektrische relaxatieconstanten. De evolutie van de permittiviteit en 1H NMR-spectra met watergehalte, temperatuur en druk maakt deconvolutie van de diëlektrische eigenschappen van water en de beperkende matrix mogelijk. Evolutie van de röntgenverstrooiing zal veranderingen in de lokale waterstructuur en dichtheid onthullen. Er zijn nieuwe onderzoeksmethodologieën nodig om de dynamiek volledig te integreren en in situ toegang te bieden tot nanoporiënwater en gastheermateriaal onder gecontroleerde druk en temperatuur. De verbeterde functionaliteit van oplosmiddel in beschut water zal worden onderzocht met behulp van in situ röntgenverstrooiingstechnieken, nucleaire magnetische resonantie (NMR), elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS)/diëlektrische relaxatiespectroscopie (DRS), ondersteund door theoretische modellering. Het ontwerp van gekoppelde NMR-diëlektrische methodologieën en gekoppelde röntgenverstrooiing-diëlektrische methodologieën in situ voor het onderzoek van intrusie-extrusiecycli is zeer innovatief.