Ученые зафиксировали удивительный феномен в молекулах воды.
Вода — одно из самых известных веществ на Земле, но ее поведение в малых объемах остается малоизученным. Особенно это касается воды, ограниченной наномасштабным пространством, например, в белках, минералах и наноматериалах. В таких условиях вода ведет себя иначе, чем в обычной жидкой форме, и это оказывает влияние на множество природных и технологических процессов.
Одно из самых малоизученных состояний воды — «состояние предплавления», когда вода находится на грани замерзания и плавления одновременно. Это состояние сложно классифицировать как жидкость или твердое тело. Однако исследовать его было трудно из-за недостаточной чувствительности традиционных приборов, которые не могут зафиксировать вращательные движения водорода в пикосекундном масштабе.
Исследование ученых из Токийского университета под руководством профессора Макото Тадокоро открыло новый взгляд на воду. В своей работе, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, они использовали статическую дейтериевую ядерно-магнитно резонансную спектроскопию для наблюдения за динамикой воды в гидрофильных нанопорах молекулярного кристалла.
Для эксперимента группа создала гексагональные кристаллы с нанопорами диаметром около 1,6 нм и заполнила их тяжелой водой (D2O). Измеряя спектры при комнатной температуре, ученые обнаружили, что молекулы воды образуют иерархическую трехслойную структуру. Эти слои взаимодействуют через водородные связи.
Также было выявлено, что вода в нанопорах замерзает в иной структуре, чем объемный лед, и плавится через искаженные водородные связи, что приводит к образованию состояния предплавления. Это состояние, согласно исследованию, сочетает замороженные слои H₂O и медленно движущиеся молекулы воды, что делает его уникальным.
В этом состоянии молекулы воды начинают плавиться, но не полностью замороженные водородные связи сохраняются, что создает новый, сложный процесс плавления. Оказалось, что энергия активности в предплавленном состоянии была значительно ниже, чем в объемном льде, но близка к энергии жидкой воды. Это означает, что молекулы воды, хотя и относительно фиксированы в пространстве, обладают быстрым вращательным движением, характерным для жидкостей.
Исследование углубляет понимание поведения воды в ограниченных пространствах, что важно для изучения проникновения воды и ионов через клеточные мембраны и белки. Это пригодится для создания новых материалов для хранения энергетических газов (например, водорода и метана) или разработки лекарств. Управление свойствами замерзания воды может привести к созданию новых, безопасных и экономичных материалов для гидросферы.
Открытие подчеркивает, что даже столь распространенное вещество, как вода, хранит множество секретов, которые еще предстоит раскрыть.