Вода, заключённая в наноразмерные поры, переходит в новую фазу состояния, в которой молекулы зафиксированы на месте, как в твёрдом теле, при этом вращаются, как в жидкости.
Несмотря на то что вода — одно из самых знакомых для человека веществ на Земле, она всё ещё хранит секреты, которые учёные пытаются разгадать. Будучи заключённой в чрезвычайно малые пространства, например, внутри белков, минералов или искусственных материалов, вода ведёт себя совершенно иначе, чем в обычном, объёмном состоянии.
Эти эффекты удержания играют ключевую роль в природе и технологиях. Они регулируют поток ионов через клеточные мембраны и определяют производительность нанофлюидных систем (работающих с жидкостями в каналах нанометрового размера).
Понимание поведения воды в таких масштабах может открыть путь к инновациям в биологии и материаловедении. Одна из особенно интригующих фаз «запертой» воды называется «состоянием предплавления». В этом состоянии вода одновременно находится между замерзанием и таянием, не поддаваясь классификации ни как жидкость, ни как твёрдое тело.
Однако её изучение в этом состоянии было крайне затруднено, поскольку традиционные методы часто не способны зафиксировать быстрые движения атомов водорода в молекулах воды.
Недавно исследовательская группа из Токийского научного университета под руководством профессора Макото Тадокоро, совершила открытие. Их исследование сообщает о прямом наблюдении состояния предплавления с использованием передовой спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР — метод, позволяющий изучать структуру и движение молекул на атомном уровне).
Читайте: Переписывая физику – Теория объясняет, почему лёд на самом деле скользкий
Слои внутри жидких кристаллов
Для проведения экспериментов команда учёных создала гексагональные стержневидные кристаллы с каналами шириной около 1,6 нанометра.
Затем они заполнили эти нанопоры тяжёлой водой (D₂O — вода, в которой атомы обычного водорода заменены на его более тяжёлый изотоп, дейтерий). Измеряя спектры ЯМР при комнатной температуре, они выявили трёхслойную структуру молекул воды.
Каждый слой демонстрировал различные движения и взаимодействия через водородные связи (тип химической связи, значительно более слабой, чем ковалентная, но более сильной, чем большинство межмолекулярных взаимодействий).
Данные показали, что вода внутри нанопор замерзает в структуру, отличную от обычного льда. Важно отметить, она начинает таять через искажённую, связанную водородными связями, структуру, что и приводит к возникновению состояния предплавления.
Чтобы изучить эту новую фазу, команда исследователей постепенно нагревала кристалл от замороженного до жидкого состояния. Это позволило им отследить переход и подтвердить существование двух, казалось бы, противоречивых состояний.
«Состояние предплавления включает в себя таяние молекул H₂O с неполными водородными связями ещё до того, как полностью замёрзшая структура льда начинает плавиться в процессе нагрева. По сути, это новая фаза воды, в которой сосуществуют замёрзшие слои H₂O и медленно движущиеся молекулы H₂O», — объясняет профессор Тадокоро.
Замороженные, но быстродвижущиеся
Исследователи также измерили вращательную подвижность молекул тяжёлой воды в этой фазе.
Они обнаружили, что, хотя энергия активации отличалась от объёмного льда, время корреляции было близко ко времени для обычной жидкой воды. Проще говоря, молекулы были зафиксированы в позициях, характерных для твёрдого тела, но при этом вращались со скоростью, свойственной жидкости.
Эти результаты дают критически важное понимание структурного и динамического поведения воды в ограниченном пространстве. Помимо биологии, они могут повлиять на будущие технологии.
«Создавая новые структуры ледяных сеток, возможно, удастся хранить энергетические газы, как водород и метан, и разрабатывать материалы на водной основе, например, искусственные газовые гидраты (кристаллические соединения, образующиеся при определённых условиях из воды и газа)», — говорит профессор Тадокоро.
Такой контроль над свойствами замерзания и таяния воды может привести к созданию более безопасных и эффективных материалов, потенциально преобразуя сферы хранения энергии и нанотехнологий.
В конечном счёте это исследование подчёркивает, как самое распространённое в мире вещество продолжает удивлять учёных. Вода, несмотря на свою привычность, ещё скрывает фазы и модели поведения, которые нам только предстоит открыть.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU