Когда вода попадает в узкие наноразмерные полости, она переходит в промежуточную фазу, которая не является ни твердой, ни жидкой, а находится где-то посередине. К такому выводу пришла международная группа исследователей, которые использовали статистическую физику, квантовую механику и машинное обучение для изучения того, как меняются свойства воды, когда она находится в таком маленьком пространстве. Анализируя фазовую диаграмму давление-температура этой нанозамкнутой воды, как известно, команда обнаружила, что она имеет промежуточную «гексатическую» фазу, а также обладает высокой проводимостью.
Свойства воды в наномасштабе могут сильно отличаться от тех, которые мы связываем с объемной водой. Среди других необычных свойств наноразмерная вода имеет аномально низкую диэлектрическую проницаемость, течет практически без трения и может существовать в фазе квадратного льда.
Изучение нанозамкнутой воды имеет важные практические приложения. «Большая часть воды в нашем организме заключена в узких полостях, таких как пространства внутри клеток, между мембранами и в мелких капиллярах», — отмечает руководитель группы. Венкат Капил, химик-теоретик и материаловед в Кембриджский университет, Великобритания. То же самое относится и к воде, запертой в камнях или застрявшей в бетоне. Таким образом, понимание поведения этой воды может иметь центральное значение для биологии, инженерии и геологии. Это также может быть важно для разработки будущих водных наноустройств и для таких приложений, как нанофлюидика, материалы для электролитов и опреснение воды.
В последние годы исследователи изготовили искусственные гидрофобные капилляры с наноразмерами. Это позволило им измерить свойства воды, когда она проходит через каналы, которые настолько узки, что молекулам воды не хватает места, чтобы проявить свой обычный образец водородных связей.
Всего одна молекула толщиной
В последней работе Капил и его коллеги изучали воду, захваченную между двумя графеноподобными листами, так что слой воды был толщиной всего в одну молекулу. Используя атомистическое моделирование, целью которого является моделирование поведения всех электронов и ядер в системе, они рассчитали фазовую диаграмму давления и температуры воды. Эта диаграмма, на которой по одной оси отложена температура, а по другой — давление, показывает наиболее стабильную фазу воды при данных условиях давление-температура.
«Эти симуляции обычно требуют очень больших вычислительных ресурсов, поэтому мы объединили множество современных подходов, основанных на статистической физике, квантовой механике и машинном обучении, чтобы снизить эти затраты», — говорит Капил. Мир физики. «Эта экономия вычислительных ресурсов позволила нам тщательно смоделировать систему при различных давлениях и температурах и оценить наиболее стабильные фазы».
Исследователи обнаружили, что монослойная вода может похвастаться удивительно разнообразным фазовым поведением, которое очень чувствительно к температуре и давлению, действующим внутри наноканала. В определенных режимах он показывает «гексатическую» фазу, которая является промежуточной между твердой и жидкой, как предсказывает так называемая теория KTHNY, описывающая плавление кристаллов в 2D-удержании. Эта теория принесла своим разработчикам Нобелевская премия по физике 2016 г. для улучшения нашего понимания фазового поведения 2D твердых тел.
Высокая электропроводность
Исследователи заметили, что нанозамкнутая вода становится высокопроводящей, с электропроводностью в 10–1000 раз выше, чем у материалов аккумуляторов. Они также обнаружили, что он перестает существовать в молекулярной фазе. «Атомы водорода начинают двигаться почти как жидкость через решетку кислорода, скажем, как дети, бегущие по лабиринту», — объясняет Капил. «Этот результат примечателен, поскольку ожидается, что такая обычная «объемная» суперионная фаза будет стабильной только в экстремальных условиях, таких как недра планет-гигантов. Нам удалось стабилизировать его в мягких условиях.
Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2016 года.
«Похоже, что ограничение материалов в 2D может привести к очень интересным свойствам или свойствам, которые их объемные аналоги проявляют только в экстремальных условиях», — продолжает он. «Мы надеемся, что наше исследование поможет раскрыть новые материалы с интересными свойствами. Однако наша более важная цель — понять воду, особенно когда она находится в очень сложных условиях, например, внутри нашего тела».
Команда, в которую входят исследователи из Университетского колледжа Лондона, Университета Федерико II в Неаполе, Пекинского университета и Университета Тохоку в Сендае, теперь надеется наблюдать фазы, которые они смоделировали, в реальных экспериментах. «Мы также изучаем 2D-материалы, отличные от графеноподобных, поскольку эти системы в принципе могут быть синтезированы и изучены в лаборатории», — рассказывает Капил. «Поэтому должно быть возможно сравнение один к одному с экспериментами — скрестим пальцы».
Настоящая работа подробно описана в природа.
