RW Space

Вода может показаться скучной, но она намного страннее, чем кажется. Ученые из Японии теперь доказали, что в ограниченном пространстве молекулы воды могут вести себя как твердое тело и жидкость одновременно.

Различия между жидкой водой и льдом, которые мы наблюдаем на макроуровне, начинаются на микроуровне. Во льду молекулы заключены в жесткие структуры, а в воде они, по сути, свободно плавают, постоянно образуя и разрывая связи.

Связано: Вода может разделяться на две разные жидкости. Мы только что приблизились к пониманию причины

В своеобразном состоянии, описанном в новой статье, молекулы выполняют и то, и другое. Они находятся в фиксированном положении, как лед, но вращаются быстро, как в жидкости. Это состояние, известное как состояние предварительного плавления, ранее ускользало от прямого изучения.

«Состояние предварительного плавления включает в себя плавление неполностью связанных водородными связями H₂O до того, как полностью замороженная структура льда начинает таять в процессе нагревания», — говорит Макото Тадокоро, химик из Токийского научного университета.

«По сути, оно представляет собой новую фазу воды, в которой замороженные слои H₂O и медленно движущаяся H₂O сосуществуют».

Чтобы увидеть это странное состояние, потребовалась сложная экспериментальная установка. Во-первых, вода была не совсем той, к которой мы привыкли в повседневной жизни: это так называемая «тяжелая вода», в которой атомы водорода заменены на дейтерий, изотоп водорода, упаковывающий нейтрон в свое ядро.

Этот «D₂O» затем был заключен в чрезвычайно ограниченное пространство, где проявляются всевозможные экзотические поведения. Исследователи создали кристаллы в форме стержней с крошечными гидрофильными каналами шириной всего 1,6 нанометра, заморозили содержащуюся в них тяжелую воду и медленно снова нагрели их.

Наконец, они наблюдали за всем процессом с помощью статической твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия (ЯМР). Это показало, что молекулы образовывали иерархическую трехслойную структуру с разными типами движений и взаимодействий в каждом слое.

Состояние предварительного плавления, вероятно, наиболее знакомо нам как тонкая пленка воды, которая образуется на поверхности льда, даже если температура все еще ниже нуля. Но во льду это происходит иначе, чем в экстремальных условиях.

Уже известно, что вода совершает некоторые странные вещи, когда она находится в наномасштабе. Его электрические свойства могут измениться; его можно сделать «незамерзающим» даже при температурах, близких к абсолютному нулю, или он может замерзнуть в твердом состоянии при температурах, при которых он должен закипеть.

Использование этих особенностей может иметь и практическое применение, говорит команда.

«Создавая новые структуры ледяной сети, можно будет хранить энергетические газы, такие как водород и метан, и разрабатывать материалы на водной основе, такие как искусственный газ. гидраты», — говорит Тадокоро.

Результат исследования был опубликован в Журнале Американского химического общества.