Вчені зі США знайшли докази того, що поверхня рідкої води, навіть при кімнатній температурі, має структуру, яка все більше й більше нагадує лід у міру наближення до поверхні розділу вода–повітря. Філіп Гайслер і Натан Одендал з Каліфорнійського університету в Берклі, виконано комп’ютерне моделювання нерівномірного розділу між повітрям і водою та виявили впорядковані мотиви, які, як вони стверджують, мають значну спільну рису з льодом.
Від атмосфери до легенів людини багато найважливіших процесів на планеті відбуваються на поверхні краплі води, що дає цьому дослідженню потенційний вплив на фізику, хімію та біологію.
«Те, над чим ми працювали стільки десятиліть, щоб зрозуміти воду в її об’ємному середовищі, просто стає неправильним на інтерфейсах», – сказав Гайслер, який використовував моделювання для вивчення води на молекулярному рівні, недоступному в експериментах. Спектроскопічні вимірювання поверхні розділу повітря та води дали дивовижні результати, що свідчить про впорядкований водневий зв’язок на поверхні. Гайслер і Одендаль були зацікавлені попередніми симуляціями, які припускали, що лід є точкою відліку для міжфазної структури води, але вони не вважали ці результати переконливими. У результаті вони винайшли спосіб більш детального пошуку цих закономірностей.
Пошук структури в безладі
Рідка вода невпорядкована, тому дослідники знали, що структури, які вони шукали, буде важко знайти, вони охоплюють лише кілька молекул і приховані під шумом. У них була ідея, що попереднім дослідникам бракувало деталей, оскільки вони розглядали інтерфейс як плоску площину, хоча насправді вона м’яка та нерівна. Дослідження м’яких поверхонь розділу повітря та води було розпочато понад 10 років тому, і було виявлено шари, паралельні поверхні, але Гайслер і Одендаль були першими, хто використав це для пошуку зв’язку з льодом.
Гайслер сказав, що він був здивований, коли Одендаль показав йому перші результати накладання поверхонь лід і вода-повітря. Вони стверджують, що за допомогою додаткової деталізації миттєвого розділу шари на поверхні води можна розділити на підшари (див. малюнок вище). Паралельні підшари є характерною рисою основної поверхні льоду, і вони представляють те, що, як переконаний дует, є разючою подібністю між цими шарами на межі льоду та води та повітря.
Використовуючи ці підшари як точку відліку, Гайслер і Одендаль порівняли орієнтації молекул, знаючи, що це добре визначено для тетраедричних молекул води в льоду. Коли дослідники нанесли на карту бажаний напрямок киснево-водневих зв’язків біля поверхні води, вони помітили впорядкування, яке, як вони знову стверджували, відповідає поверхні льоду. Ці шаблони зберігаються в межах кількох молекулярних діаметрів, що більше, ніж перехідні тетраедричні структури, очікувані в об’ємній воді.
Порушена симетрія змушує воду організовуватися
Аргументуючи свої висновки, Одендаль сказав: «Наявність цього гнучкого інтерфейсу справді додала нам впевненості сказати, що це не просто пара випадкових показників. Якщо ви подивитеся на щільність, якщо ви подивитеся на орієнтацію, якщо ви подивитеся на кілька шарів, усе, що ми дивилися, здається, збіг є».
Вода виявляється електрично мертвою на інтерфейсі
Однак інтерпретація досліджень зі статистичної механіки рідин завжди суперечлива. Постійні дебати про межу вода-повітря зведуться до фундаментального питання про те, як визначається лід, і чи можна сказати, що структура, яка поширюється лише на кілька молекул, має кристалоподібні властивості. Розмірковуючи над їхніми результатами, Гайслер сказав: «Тепер у нас є ця структурна точка відліку для роздумів про ці структурні мотиви, і я думаю, що врешті-решт це виявиться дуже корисним концептуальним інструментом».
Дослідження описано в Журнал Американського хімічного товариства.
