Учёные сделали революционное открытие: вода может одновременно замерзать и течь
Новая фаза воды открыта учеными она удерживается в наноразмерных порах и попадает в уникальное состояние, где молекулы замерзли, но продолжают вращаться, как в жидкости.
Несмотря на то, что вода это озвученное и привычное вещество на нашей планете, она все еще хранит множество загадок, которые ученые пытаются разгадать. В замкнутом пространстве, таком как белки, минералы и искусственные материалы, вода проявляет удивительное поведение, отличное от привычных условий.
Эти уникальные свойства воды имеют важное значение как в природе, так и в технике, влияя на потоки ионов через клеточные мембраны и эффективность нано-жидкостных систем. Понимание этих процессов может привести к прорывам в сфере биологии и материаловедения. Одной из интригующих фаз запертой воды является так называемое состояние предплавления, в котором вода фактически находится между твердой и жидкой фазами, не поддаваясь ни одной из классификаций.
Однако изучать это состояние было крайне сложно, так как традиционные методы не могли зафиксировать быстрые движения атомов водорода в молекулах воды.
Недавно исследователи из Токийского научного университета под руководством профессора Макото Тадокоро совершили прорыв они смогли наблюдать состояние предплавления с помощью современного метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который позволяет анализировать структуру и движение молекул на атомарном уровне.
Замкнутые слои в жидких кристаллах
Для своих экспериментов команда создала гексагональные стержневидные кристаллы с каналами шириной около 1,6 нанометра, которые заполнили тяжёлой водой, заменив обычные водороды на более тяжёлый изотоп дейтерий. Изучая спектры ЯМР при комнатной температуре, они выявили сложную трёхслойную структуру молекул воды.
Каждый из слоев демонстрировал уникальные движения и взаимодействия через водородные связи, показывая, что внутри нанопор вода замерзает в структуру, отличную от обычного льда. Эту структуру описывают как состоящую из связей, формирующих состояние предплавления, где происходит переход от замороженного к жидкому состоянию.
Активные молекулы в замороженной воде
Во время исследования учёные также измерили подвижность молекул тяжёлой воды. Они установили, что, хотя энергия активации отличается от обычного льда, время корреляции близко к состоянию обычной воды. Это значит, что молекулы находятся в фиксированных позициях, типичных для твердого тела, но вращаются, как в жидкости.
Полученные результаты помогают лучше понять структурное и динамическое поведение воды в ограниченном пространстве. Исследование открывает новые горизонты для технологий и биологии, включая возможность разработки инновационных материалов и методик хранения энергетических ресурсов.