Wir untersuchen das Verhalten von Wasser in engen, unpolaren Poren, deren geringer Durchmesser die Wassermoleküle zwingt, sich hintereinander anzuordnen. Aufgrund dieser fast eindimensionalen räumlichen Einschränkung der Moleküle zeigt sich neuartiges physikalisches Verhalten im Vergleich zu Wasser in makroskopischen Volumina. Um diese Eigenschaften, die unter anderem von der Länge der Pore abhängen, zu untersuchen, entwickeln wir ein eindimensionales Dipol-Gittermodell, für welches wir drei mathematisch äquivalente Darstellungen ableiten. Diese bilden die Grundlage für unsere theoretischen Überlegungen und ermöglichen es uns, Poren von nanoskopischen bis makroskopischen Längen zu simulieren.
Das Dipolmodell, welches wir mit Resultaten von molekularen Simulationen parametrisieren, beschreibt die freie Energetik und die Struktur von Wasser in Nanoporen quantitativ.
Wir untersuchen das Füllverhalten von Kohlenstoffnanoröhren und die Ordnung der sich bildenden Wasserketten, in welchen die Moleküle durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Es stellt sich heraus, dass eine enge Kohlenstoffröhre in Kontakt mit einem Wasserbad bei Raumtemperatur und unter atmosphärischem Druck vollständig mit einer praktisch ununterbrochenen Wasserkette gefüllt ist, die bis zu einer makroskopischen Länge von ~ 0.1 mm dipolar geordnet ist.
Um die Konsequenzen dieser Ordnungseigenschaften für das dielektrische Verhalten zu untersuchen, erweitern wir das Gittermodell um die Kinetik von Orientierungsdefekten und bestimmen die lineare Antwort von Wasserketten auf ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld in Richtung der Röhrenachse.
Die Ketten zeigen für alle Längen Debye-Relaxation, deren Ursache die Diffusion von nahezu unkorrelierten Defekten ist. Aus diesem Verhalten leiten wir einfache Ausdrücke für die statische Suszeptibilität und die Relaxationszeit für die Grenzfälle von kurzen, geordneten und langen, ungeordneten Ketten ab. Diese Ausdrücke ermöglichen es, die Ordnungseigenschaften mit Impedanzspektroskopie experimentell zu bestimmen und die grundlegenden Größen von Wasser in Nanoröhren zu messen.

We investigate the behavior of single-file water in narrow nanopores. The quasi one-dimensional confinement changes the dynamical and structural properties of nanopore water compared to bulk water and new properties emerge. To explore these properties, which depend on the length of the pore, we develop a one-dimensional dipole lattice model and derive three mathematically equivalent representations. These pictures form the basis of our theoretical considerations and allow the simulation of pores from nanoscopic to macroscopic lengths. Parameterized with results from atomically detailed simulations, this model reproduces the free energetics and structure of nanopore water quantitatively. We investigate the filling transition of carbon nanotubes and explore the order properties of hydrogen bonded chains of water molecules within the pore. We find that narrow carbon nanotubes, which are in contact with a water bath at room temperature and atmospheric pressure, fill completely with an essentially continuous chain of water molecules, that is predominately dipole ordered up to a tube length of ~ 0.1 mm. We explore the consequences of these order properties for the dielectric behavior by determining the linear response of a single chain of water molecules to a time-dependent electric field in direction of the tube axis. To this end, we include the kinetics of orientational defects in the dipole lattice model. At all chain lengths, nanopore water shows Debye relaxation due to the diffusion of essentially uncorrelated defects. We derive simple expressions for the static dielectric susceptibility and the relaxation time in the limits of short, ordered and long, disordered chains and suggest how dielectric loss spectroscopy can be used to determine the order properties and to measure the fundamental quantities that determine the behavior of nanopore water.