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.
