Это только три атома! Но они снова нас удивили.

Источник.

Что мы знаем о воде?

Она является самым распространённым веществом на планете. Она входит в состав всех живых существ. После ртути, которая, по сути, не просто вещество, а вполне самостоятельный химический элемент – металл, – вода обладает самым большим поверхностным натяжением среди жидкостей. Именно поэтому падение с большой высоты в этот источник жизни довольно травмоопасно.

Также вода обладает удивительным свойством, выделяющим её среди всех других веществ: она расширяется при замерзании. Да, в конце концов, вода может быть жидкостью, газом и льдом; точит камень и в разных условиях закипает при разных температурах. В общем, мы много чего знаем о воде.

Но она снова нас удивила.

Учёные из Кембриджского университета обнаружили, что поведение воды, слоем в одну молекулу, не характерно ни для жидкости, ни для твёрдого тела. А, кроме того, она становится очень проводящей при высоких давлениях.

Суть задачи в том, что, запертая между мембранами или в крошечных наноразмерных полостях вода – вполне обычное явление: её можно найти везде, от мембран в наших телах до геологических образований. Но эта нанозамкнутая версия ведёт себя совсем иначе, чем та, которую мы пьём. Так, она обладает аномально низкой диэлектрической проницаемостью и демонстрирует почти полное отсутствие трения.

О том, что вода, представленная в виде монослоя, таит в себе немало загадок, наука знает давно, но провоцирующая их резкая смена её свойств никак не поддавалась прогнозам. И хоть для учёного мира немалая часть этих свойств не является новостью, но до сих пор полному пониманию поведения воды в наномасштабных условиях мешали проблемы экспериментальной фиксации фазовых характеристик. И вот теперь разработка нового способа прогнозирования столь необычных метаморфоз обнаружила несколько новых фаз воды на молекулярном уровне.

Команда под руководством Кембриджа описывает в статье, вышедшей в журнале Nature, как с помощью достижений в вычислительных подходах удалось предсказать фазовые диаграммы слоя воды толщиной в одну молекулу. И результат получился беспрецедентно точен.

В действительности оказалось, что слой воды толщиной в одну молекулу (внутри наноканала) демонстрирует богатое и весьма разнообразное фазовое поведение, которое очень чувствительно к температуре и давлению, действующему внутри самого канала. А самое интересное в том, что это удивительное своеволие, включает «гексатическую» и «суперионную» фазы. В гексатической она действует не как твёрдое тело и не как жидкость, а как нечто среднее – своего рода переходное звено, которое, меж тем, не является ни тем, ни другим. 

«Гексатическая фаза — это не твёрдое вещество и не жидкость, а промежуточное звено, что согласуется с предыдущими теориями о двумерных материалах, – поясняет доктор Венкат Капил из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида, первый автор статьи. – Наш подход также предполагает, что эту фазу можно наблюдать экспериментально, удерживая воду в графеновом канале».

Что же касается суперионной фазы, которая возникает при более высоких давлениях, то в ней вода становится очень проводящей, быстро продвигая протоны сквозь лёд, что напоминает поток электронов в проводнике. Раскрывая значение и некоторую исключительность данного явления, доктор Капил отсылает нас в космос: «Наличие суперионной фазы в легкодоступных условиях довольно необычно, ведь эту фазу обычно находят в экстремальных условиях, как ядро Урана и Нептуна, – и тут же добавляет: – Один из способов визуализировать эту фазу в том, чтобы атомы кислорода сформировали твёрдую решётку, а протоны протекали как жидкость сквозь решётку, как дети, бегущие по лабиринту».

Понимание поведения воды в наномасштабах имеет решающее значение для многих новых технологий. Например, успех лечения пациента может зависеть от того, как будет реагировать вода, попавшая в небольшие полости в теле. От прогнозирования поведения замкнутой воды зависят также разработки новых технологий по опреснению воды и транспортировки жидкостей без трения. К тому же суперионная фаза может быть важна для будущих электролитов и аккумуляторных материалов, поскольку её электропроводность в 100 и даже 1000 раз выше, чем у современных образцов.

«Для всех этих областей понимание поведения воды является основополагающим вопросом, – говорит доктор Капил. – Наш подход позволяет изучать один слой воды в графеноподобном канале с беспрецедентной точностью прогнозирования».

Учёные полагают, что дальнейшие детальные исследования не только помогут понять, как работает в наномасштабе именно вода, но также эти знания о «наноудержании» могут стать путём к обнаружению суперионного поведения в других материалах. Ведь, помимо прочего, нынешний успех говорит о многообещающих перспективах и потрясающей доступности этой самой суперионной фазы здесь, на Земле.

Вот и скажи после такого, что это «просто вода».

АРМК, по материалам Кембриджского университета.