Обнаружены новые фазы воды

Вода может быть жидкой, газообразной или замерзшей, верно? Подумайте еще раз. Ученые из Кембриджского университета обнаружили, что вода в слое, состоящем из одной молекулы, не является ни жидкостью, ни твердым телом, а при высоком давлении становится высокопроводящей.

Многое известно о поведении "объемной воды": она расширяется при замерзании и имеет высокую температуру кипения. Но когда вода сжимается до наноразмеров, ее свойства резко меняются.

Разработав новый способ предсказать это необычное поведение 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 во всем, от мембран в нашем организме до геологических образований. Но эта наноконфигурированная вода ведет себя совсем не так, как вода, которую мы пьем.

До сих пор трудности, связанные с экспериментальным определением фаз воды на наноуровне, не позволяли полностью понять ее поведение. Но в статье, опубликованной в журнале Nature, группа специалистов из Кембриджа описывает, как они использовали достижения вычислительных подходов для предсказания фазовой диаграммы слоя воды толщиной в одну молекулу с беспрецедентной точностью.

Они использовали комбинацию вычислительных подходов для первопринципного исследования 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 не является ни твердым телом, ни жидкостью, а чем-то средним. В суперионной фазе, которая возникает при более высоком давлении, вода становится высокопроводящей, быстро проталкивая протоны через лед, что напоминает движение электронов в проводнике.

Понимание поведения воды на наноуровне имеет решающее значение для многих новых технологий. Успех медицинских процедур может зависеть от того, как будет реагировать вода, запертая в небольших полостях нашего тела. Разработка высокопроводящих электролитов для батарей, опреснение воды и транспортировка жидкостей без трения - все это зависит от предсказания поведения воды в замкнутом пространстве.

"Для всех этих областей понимание поведения воды является основополагающим вопросом", - говорит д-р Венкат Капил из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида, первый автор статьи. "Наш подход позволяет изучать один слой воды в графеноподобном канале с беспрецедентной предсказательной точностью".

Исследователи обнаружили, что слой воды толщиной в одну молекулу в наноканале демонстрирует богатое и разнообразное фазовое поведение. Их подход предсказывает несколько фаз, включая гексатическую фазу - промежуточную между твердым телом и жидкостью, а также суперионную фазу, в которой вода обладает высокой электропроводностью.

"Гексатическая фаза - это не твердое тело и не жидкость, а промежуточное состояние, что согласуется с предыдущими теориями о двумерных материалах", - сказал Капил. "Наш подход также предполагает, что эту фазу можно наблюдать экспериментально, заключив воду в графеновый канал".

"Существование суперионной фазы в легкодоступных условиях является необычным, поскольку эта фаза обычно встречается в экстремальных условиях, таких как ядра Урана и Нептуна. Можно представить себе эту фазу так: атомы кислорода образуют твердую решетку, а протоны текут через решетку как жидкость, подобно детям, бегущим по лабиринту".

Исследователи говорят, что эта суперионная фаза может быть важна для будущих электролитов и материалов для батарей, поскольку ее электропроводность в 100-1000 раз выше, чем у современных материалов для батарей.

Полученные результаты не только помогут понять, как работает вода на наноуровне, но и позволяют предположить, что "наноконфигурация" может стать новым путем к поиску суперионного поведения других материалов.

Доктор Венкат Капил - младший научный сотрудник Черчилль-колледжа, Кембридж. В исследовательскую группу вошли доктор Кристоф Шран и профессор Ангелос Михаэлидес из группы ICE факультета химии имени Юсуфа Хамида, работавшие с профессором Крисом Пикардом с факультета материаловедения и металлургии, доктором Андреа Зен из Университета Неаполя Федерико II и доктором Цзи Чен из Пекинского университета.