I nanotubi di carbonio a parete singola agiscono come minuscole cannucce così strette che l'acqua confinata all'interno non può congelarsi nella sua normale struttura cristallina. In particolare, in nanotubi molto sottili, le molecole d'acqua si allineano in un unico file. A temperatura ambiente, ogni molecola rimane orientata in una direzione casuale, creando una catena disordinata. Per la prima volta, gli scienziati hanno osservato che a una temperatura fredda di 150 K, queste molecole passano attraverso una transizione di quasifase. In questo passaggio, le molecole si orientano in modo altamente strutturato, disposizione classicamente legata all'idrogeno.

L'acqua pulita è vitale per le persone, colture e bestiame. Le tecnologie che utilizzano nanotubi di carbonio possono favorire la purificazione e la desalinizzazione dell'acqua. La creazione di tali dispositivi richiede di sapere come si comporta l'acqua confinata in tali tubi. Anche, sapere come si comporta l'acqua in spazi ristretti aiuterà gli scienziati a studiare altri sistemi complessi, come il modo in cui le tossine si muovono attraverso le pareti cellulari.

Sebbene gli scienziati sappiano che le molecole confinate all'interno di nanotubi a parete singola si comportano in modo diverso rispetto alle loro controparti sfuse, in precedenza era impossibile studiare queste interazioni in un ambiente veramente uniforme. Per la prima volta, gli scienziati sono stati in grado di selezionare nanotubi della stessa chiralità e con un diametro molto piccolo che può essere riempito solo con una molecola d'acqua dopo l'altra, producendo una catena a file singolo. Studiando le proprietà di fotoluminescenza dei nanotubi vuoti rispetto ai nanotubi pieni d'acqua, i ricercatori hanno notato un improvviso cambiamento nel colore di emissione dei nanotubi pieni a ~150 K. Studi precedenti avevano osservato cambiamenti più generali, ma gli scienziati non sono stati in grado di determinare l'esatta temperatura del cambiamento e hanno potuto solo speculare sulla causa dietro il cambiamento. In questo esperimento controllato, dove è stato effettuato un confronto diretto tra nanotubi pieni d'acqua e vuoti, i ricercatori hanno rilevato strutture di acqua altamente ordinate all'interno di questi nanotubi, uno stato che in precedenza era stato previsto solo da simulazioni teoriche.

Il gruppo ha inoltre eseguito simulazioni di dinamica molecolare su questo sistema in funzione della temperatura. Hanno determinato che l'orientamento del dipolo dell'acqua è la base della transizione di fase. Questa scoperta lascia spazio a più teoria per spiegare la transizione quasifase mentre l'intero studio fa avanzare la comprensione delle molecole confinate da utilizzare nello studio di sistemi naturali complessi e nello sviluppo di nuove applicazioni microfluidica.