Вода остается одним из самых загадочных веществ на Земле, особенно когда оказывается заключенной в крайне малых пространствах — нанопорах белков, минералов или искусственных материалов. В таких условиях она демонстрирует поведение, кардинально отличающееся от обычной жидкости.
Ученые зафиксировали неизвестное состояние воды, одновременно твердое и жидкое
Исследователи из Токийского университета обнаружили неизвестное «предплавильное» состояние воды, заключенной в нанопоры. В этой фазе вода одновременно ведет себя как твердое тело и жидкость, меняя традиционное представление о ее возможных агрегатных состояниях.
Ученые из Японии обнаружили новую фазу воды, названную «предплавильным состоянием». Shutterstock
Несмотря на то, что вода очень простое соединение, она постоянно удивляет ученых. Например, лед существует в нескольких кристаллических состояниях. Обычный лед образуют гексагональную (шестиугольную) решетку. Лед II состоит из косых параллелепипедов, а лед III — из прямых параллелепипедов. Лед II образуется при сжатии обычного льда при температурах от −83°C до −63°C. Предполагают, что «ледяные» спутники, например, спутник Юпитера Ганимед, в основном состоят изо льда II. При нагреве лед II преобразуется в лед III. Но состояние воды сразу в двух агрегатных состояниях — это большая неожиданность.
Кристаллы льда II.
Японские ученые впервые детально изучили так называемое «предплавильное состояние» воды — неизвестную фазу, в которой вода одновременно находится на грани замерзания и плавления. Работа опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society.
Новая форма воды
Для исследования команда использовала статическую твердотельную дейтериевую ЯМР-спектроскопию (спектроскопия ядерного магнитного резонанса), позволяющую отслеживать движения молекул воды на пикосекундных (10^-12 сек) временных масштабах.
Эксперименты проводились с гексагональными кристаллами льда, заключенными в одномерные каналы диаметром около 1,6 нанометра. Лед был образован тяжелой водой, где место обычного водорода занимает его изотоп — дейтерий (в ядре протон и нейтрон). Измерения ЯМР-спектров показали существование иерархической трехслойной структуры заключенных молекул воды с различными типами движения и водородных связей.
+++ (a) Кристаллическая структура при 253 K (-20 градусов по Цельсию). (b) Агрегатная структура предплавильного состояния в кристалле при 198 К (-27 градусов по Цельсию).
При нагревании кристалла исследователи наблюдали фазовый переход в предплавильное состояние. «Предплавильное состояние включает плавление не полностью связанных водородными связями молекул H2O до того, как начинает плавиться полностью замерзшая ледяная структура. По сути, это новая фаза воды, в которой сосуществуют замерзшие слои H2O и медленно движущиеся молекулы H2O», — объясняет соавтор работы профессор Макото Тадокоро.
В этом состоянии позиции молекул воды остаются относительно фиксированными как у твердого тела, но их вращательные движения происходят с той же скоростью, что у жидкой фазы. Это открытие поможет понять механизмы проникновения воды и ионов через биологические мембраны и может привести к созданию новых материалов для хранения газов.