Les nanotubes de carbone à paroi simple agissent comme de minuscules pailles si étroites que l'eau confinée à l'intérieur ne peut pas geler dans sa structure cristalline normale. En particulier, dans des nanotubes très fins, les molécules d'eau s'alignent en une seule file. À température ambiante, chaque molécule reste orientée dans une direction aléatoire, créer une chaîne désordonnée. Pour la première fois, les scientifiques ont observé qu'à une température froide de 150 K, ces molécules passent par une transition de quasi-phase. Dans cette transition, les molécules s'orientent de manière très structurée, arrangement classiquement lié à l'hydrogène.

L'eau propre est vitale pour les gens, cultures et élevage. Les technologies utilisant des nanotubes de carbone peuvent bénéficier à la purification et au dessalement de l'eau. La création de tels dispositifs nécessite de connaître le comportement de l'eau confinée dans de tels tubes. Aussi, savoir comment l'eau se comporte dans des espaces restreints aidera les scientifiques à étudier d'autres systèmes complexes, comme la façon dont les toxines se déplacent à travers les parois cellulaires.

Alors que les scientifiques savent que les molécules confinées dans des nanotubes à paroi unique se comportent différemment de leurs homologues en vrac, il était auparavant impossible d'étudier ces interactions dans un environnement vraiment uniforme. Pour la première fois, les scientifiques ont pu sélectionner des nanotubes de même chiralité et de très petit diamètre qui ne peuvent être remplis que d'une molécule d'eau après l'autre, produisant une chaîne à fichier unique. En étudiant les propriétés de photoluminescence des nanotubes vides par rapport aux nanotubes remplis d'eau, les chercheurs ont remarqué un changement soudain dans la couleur d'émission des nanotubes remplis à ~ 150 K. Des études antérieures avaient observé des changements plus généraux, mais les scientifiques n'ont pas pu déterminer la température exacte du changement et ne pouvaient que spéculer sur la cause du changement. Dans cette expérience contrôlée, où une comparaison directe a été faite entre les nanotubes remplis d'eau et vides, les chercheurs ont détecté des structures d'eau hautement ordonnées au sein de ces nanotubes, un état qui auparavant n'avait été prédit que par des simulations théoriques.

Le groupe a en outre effectué des simulations de dynamique moléculaire sur ce système en fonction de la température. Ils ont déterminé que l'orientation du dipôle de l'eau est la base de la transition de phase. Cette découverte laisse place à plus de théorie pour expliquer la transition de quasiphase tandis que l'ensemble de l'étude fait progresser la compréhension des molécules confinées à utiliser dans l'étude de systèmes naturels complexes et le développement de nouvelles applications microfluidiques.