Los nanotubos de carbono de pared simple actúan como pajitas diminutas que son tan estrechas que el agua confinada en su interior no puede congelarse en su estructura cristalina normal. En particular, en nanotubos muy delgados, las moléculas de agua se alinean en una sola fila. A temperatura ambiente, cada molécula permanece orientada en una dirección aleatoria, creando una cadena desordenada. Por primera vez, Los científicos observaron que a una temperatura fría de 150 K, estas moléculas pasan por una transición cuasifase. En esta transición, las moléculas se orientan en una estructura altamente estructurada, disposición clásica por enlaces de hidrógeno.

El agua limpia es vital para las personas, cultivos y ganado. Las tecnologías que utilizan nanotubos de carbono pueden beneficiar la purificación y desalinización del agua. La creación de tales dispositivos exige saber cómo se comporta el agua confinada en tales tubos. También, saber cómo se comporta el agua en espacios reducidos ayudará a los científicos a estudiar otros sistemas complejos, como la forma en que las toxinas se mueven a través de las paredes celulares.

Si bien los científicos han sabido que las moléculas confinadas dentro de nanotubos de pared simple se comportan de manera diferente a sus contrapartes a granel, anteriormente ha sido imposible estudiar estas interacciones en un entorno verdaderamente uniforme. Por primera vez, Los científicos han podido seleccionar nanotubos de la misma quiralidad y con un diámetro muy pequeño que solo pueden llenarse con una molécula de agua tras otra, produciendo una cadena de un solo archivo. Al estudiar las propiedades de fotoluminiscencia de los nanotubos vacíos en comparación con los nanotubos llenos de agua, Los investigadores notaron un cambio repentino en el color de emisión de los nanotubos llenos a ~ 150 K. Estudios anteriores habían observado cambios más generales, pero los científicos no pudieron determinar la temperatura exacta del cambio y solo pudieron especular sobre la causa detrás del cambio. En este experimento controlado, donde se hizo una comparación directa entre nanotubos llenos de agua y vacíos, Los investigadores detectaron estructuras de agua altamente ordenadas dentro de estos nanotubos, un estado que anteriormente solo había sido predicho por simulaciones teóricas.

El grupo realizó además simulaciones de dinámica molecular en este sistema en función de la temperatura. Determinaron que la orientación del dipolo de agua es la base de la transición de fase. Este hallazgo deja espacio para más teoría para explicar la transición cuasifase mientras todo el estudio avanza en la comprensión de las moléculas confinadas para su uso en el estudio de sistemas naturales complejos y el desarrollo de nuevas aplicaciones de microfluidos.