Открити са нови фази на водата

Учени от университета в Кеймбридж са открили, че водата в едномолекулен слой не действа нито като течност, нито като твърдо вещество и че става силно проводима при високи налягания.

Знае се много за това как се държи „водата в насипно състояние“: тя се разширява, когато замръзне, и има висока точка на кипене. Но когато водата се компресира до наномащаб, нейните свойства се променят драматично. Чрез разработването на нов начин за прогнозиране на това необичайно поведение с безпрецедентна точност, изследователите са открили няколко нови фази на водата на молекулярно ниво.

Водата, уловена между мембраните или в малки наномащабни кухини, е често срещана – може да се намери във всичко – от мембрани в телата ни до геоложки образувания. Но тази нанозатворена вода се държи много различно от водата, която пием. Досега предизвикателствата на експерименталното характеризиране на фазите на водата в наноразмер възпрепятстваха пълното разбиране на нейното поведение. Но в статия, публикувана в списанието Nature, ръководеният от Кеймбридж екип описва как е използвал напредъка в изчислителните подходи, за да предскаже фазовата диаграма на слой вода с дебелина една молекула с безпрецедентна точност. Те използваха комбинация от изчислителни подходи, за да позволят изследване на ниво първи принципи на един слой вода. Изследователите открили, че водата, която е затворена в слой с дебелина една молекула, преминава през няколко фази, включително „хексатична“ фаза и „суперионна“ фаза. В хексатичната фаза водата не действа нито като твърдо, нито като течност, а като нещо по средата. В суперионната фаза, която възниква при по-високо налягане, водата става силно проводима, задвижвайки протоните бързо през лед по начин, наподобяващ потока от електрони в проводник.

Разбирането на поведението на водата в наномащаба е от решаващо значение за много нови технологии. Успехът на медицинското лечение може да зависи от това как ще реагира водата, уловена в малки кухини в телата ни. Разработването на високопроводими електролити за батерии, обезсоляването на вода и транспортирането на течности без триене зависи от предсказването как ще се държи затворената вода.

„За всички тези области разбирането на поведението на водата е основният въпрос“, каза д-р Венкат Капил от катедрата по химия на Юсуф Хамид в Кеймбридж, първият автор на статията. „Нашият подход позволява изследването на единичен слой вода в канал, подобен на графен, с безпрецедентна предсказваща точност.“

Изследователите установиха, че слоят вода с дебелина една молекула в рамките на наноканала показва богато и разнообразно фазово поведение. Техният подход предвижда няколко фази, които включват хексатичната фаза – междинна между твърдо и течно вещество – и също суперйонна фаза, в която водата има висока електрическа проводимост.

„Хексатичната фаза не е нито твърдо вещество, нито течност, а междинен продукт, който е в съгласие с предишните теории за двуизмерните материали“, каза Капил. „Нашият подход също предполага, че тази фаза може да се види експериментално чрез ограничаване на вода в графенов канал.

„Съществуването на суперионна фаза при лесно достъпни условия е странно, тъй като тази фаза обикновено се намира в екстремни условия като ядрото на Уран и Нептун. Един от начините да се визуализира тази фаза е, че кислородните атоми образуват твърда решетка и протоните протичат като течност през решетката, като деца, тичащи през лабиринт.“

Изследователите казват, че тази суперионна фаза може да бъде важна за бъдещите електролитни и батерийни материали, тъй като показва електрическа проводимост от 100 до 1000 пъти по-висока от сегашните батерийни материали.

Резултатите не само ще помогнат за разбирането как водата работи в наномащаба, но също така предполагат, че „наноконфинмирането“ може да бъде нов път за намиране на суперионно поведение на други материали.

Информацията е предоставена от Университет на Кеймбридж