Ученые из Кембриджского университета обнаружили, что вода в слое из одной молекулы не ведет себя ни как жидкость, ни как твердое тело, и что она становится очень проводящей при высоких давлениях. 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. Разработав новый способ предсказания этого необычного поведения с беспрецедентной точностью, исследователи обнаружили несколько новых фаз воды на молекулярном уровне. Вода, запертая между мембранами или в крошечных наноразмерных полостях, является обычным явлением — ее можно найти везде, от мембран в наших телах до геологических образований. Но эта нанозамкнутая вода ведет себя совсем иначе, чем вода, которую мы пьем.
До сих пор проблемы экспериментальной характеристики фаз воды в наномасштабе мешали полному пониманию ее поведения. Но в статье, опубликованной в журнале Nature, команда под руководством Кембриджа описывает, как они использовали достижения в вычислительных подходах для предсказания фазовой диаграммы слоя воды толщиной в одну молекулу с беспрецедентной точностью. Они использовали комбинацию вычислительных подходов, чтобы обеспечить исследование на уровне первых принципов одного слоя воды. 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 очень проводящей, быстро продвигая протоны сквозь лед, что напоминает поток электронов в проводнике.
Понимание поведения воды в наномасштабе имеет решающее значение для многих новых технологий. Успех лечения может зависеть от 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 зависят от прогнозирования поведения замкнутой воды. «Для всех этих областей понимание поведения воды является основополагающим вопросом», — сказал доктор Венкат Капил из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида, первый автор 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 богатое и разнообразное фазовое поведение. Их подход предсказывает несколько фаз, которые включают 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 материалах», — сказал Капил. «Наш подход также предполагает, что эту фазу можно наблюдать экспериментально, удерживая воду в графеновом канале.
«Существование суперионной фазы в легко доступных условиях является своеобразным, поскольку эта фаза обычно находится в экстремальных условиях, таких как ядро Урана и Нептуна. Один из способов визуализировать эту фазу состоит в том, что атомы кислорода образуют твердую решетку, а протоны текут как жидкость сквозь решетку, как дети бегут 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.
