Нам многое известно о том, как ведет себя «объемная вода»: она расширяется при замерзании и имеет высокую температуру кипения. Но когда вода сжимается до наноразмеров, ее свойства резко меняются.
Исследователи сначала предсказали необычное поведение, а потом при эксперименте обнаружили несколько новых фаз воды на молекулярном уровне.
Вода, находящаяся между мембранами или в крошечных наноразмерных полостях, является обычным явлением — ее можно найти практически везде - от мембран в наших телах до геологических образований. Но оказалось, что нанозамкнутая вода ведет себя совсем иначе, чем вода, которую мы пьем.
До сих пор проблемы экспериментального определения фаз воды в наномасштабе мешали полному пониманию ее поведения. Но в статье, опубликованной недавно в журнале Nature, Кембриджская команда описывает, как они использовали достижения в вычислительных подходах для предсказания фазовой диаграммы слоя толщиной в одну молекулу воды с беспрецедентной точностью.
Исследователи обнаружили, что вода, заключенная в слой толщиной в одну молекулу, проходит через несколько фаз, включая «гексатическую» фазу и «суперионную» фазу. В гексатической фазе вода действует не как твердое тело и не как жидкость, а как нечто среднее. В суперионной фазе, которая возникает при более высоких давлениях, вода становится столь проводящей, что движение протонов в ней напоминает поток электронов в проводнике.
Понимание поведения воды в наномасштабе имеет решающее значение для многих новых технологий. В медицине успех лечения может зависеть от знания того, как будет реагировать вода, попавшая в небольшие полости в нашем теле. Разработка электролитов с высокой проводимостью для аккумуляторов, опреснение воды и транспортировка жидкостей без трения тоже зависят от прогнозирования поведения замкнутой воды.
Понимание поведения воды является основополагающим вопросом при внедрении новых технологий, подчеркивают авторы статьи. «Наш подход позволяет изучать один слой воды в графеноподобном канале с беспрецедентной точностью прогнозирования.
Исследователи обнаружили, что слой воды толщиной в одну молекулу внутри наноканала демонстрирует необычное и разнообразное фазовое поведение. Их подход предсказывает несколько фаз, включающих гексатическую фазу — промежуточное звено между твердым телом и жидкостью, а также суперионную фазу, в которой вода обладает высокой электропроводностью.
Гексатическая фаза — это не твердое вещество и не жидкость, а промежуточное звено, что согласуется с предыдущими теориями о двумерных материалахи и эту фазу можно наблюдать экспериментально, удерживая воду в графеновом канале.
Существование суперионной фазы в условиях нормального давлениея и температуры является необычным, поскольку эта фаза обычно может образовываться только в экстремальных условиях. Примеры этого демонстрируют ядра Урана и Нептуна. “Один из способов визуализировать эту фазу состоит в том, что атомы кислорода образуют твердую решетку, а протоны, как жидкость, текут через решетку, как дети, бегущие по лабиринту”.
Исследователи говорят, что эта суперионная фаза может быть важна для будущих электролитов и аккумуляторных материалов, поскольку ее электропроводность в 100–1000 раз выше, чем у современных аккумуляторных материалов.
Результаты не только помогут понять, как работает вода в наномасштабе, но и предполагают, что «наноудержание» может стать новым путем к обнаружению суперионного поведения других материалов.
