Новая фаза воды открыла огромный простор для будущих находок

Нам хорошо известны свойства воды на макроуровне: она замерзает при 0 ⁰С и закипает при 100 ⁰С, расширяется при замерзании и т. д. Но на наноразмерном уровне она обладает совсем другими свойствами. Например, аномально низкой диэлектрической проницаемостью, течением почти без трения или гипотетическим существованием фазы квадратного льда

При этом вода в наноразмере существует в природе повсеместно: в микрополостях в геологических породах или, например, между мембранами в клетках живых организмов.

До сих пор изучение свойств монослойной воды даже в лабораторных условиях было крайне сложной задачей. Но сейчас команда физиков из Кембриджского университета с высокой точностью определила, какие фазы характерны для монослойной воды и какие физические эффекты при этом возникают. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Для изучения фазового поведения воды в наномасштабе ученые использовали сразу несколько вычислительных подходов. В основу были положены квантовые методы Монте-Карло, применяющиеся для исследования сложных квантовых систем, а также метод машинного обучения.

В итоге они предсказали, что монослойная вода, запертая в графеновом канале, показывает многообразие фаз,которые в значительной степени зависят от температуры и действию сил Ван-дер-Ваальса, то есть сил межмолекулярного и межатомного взаимодействия.

Помимо множества молекулярных фаз были обнаружены две крайне важные фазы – гексатическая и суперионная.

В гексатической фазе слой воды демонстрирует поведение, не характерное как для жидкости, так и для твердого тела.  Вместо этого он оказывается в промежуточном состоянии между этими двумя стадиями. Это хорошо согласуется с предшествующими исследованиями двумерных материалов. К тому же ученые полагают, что эту фазу можно воспроизвести во время лабораторного эксперимента за счет удержания воды в графеновом канале.

Еще более интересное является суперионная фаза, возникающая под высоким давлением. В ней вода характеризуется электрической сверхпроводимостью в 100 – 1000 раз превышающей проводимость большинства проводниковых материалов. Это происходит за счет сверхбыстрого движения протонов через суперионный лед, которое напоминает поток электронов в проводниках. 

Это открытие крайне важно для дальнейших исследований, так как четкое понимание фаз и свойств замкнутой воды упростит интерпретацию экспериментов, и обеспечит основу для проектирования усовершенствованных нанотехнологий. Также в перспективе вода в наноразмере способна стать легкодоступным источником суперионного поведения, что важно для развития нанотехнологий.

Например, это знание можно будет применять в наномедицине для понимания того, как реагирует вода на клеточном уровне. Еще в перспективе это открывает возможности для создания аккумуляторных электролитов со сверхпроводимостью, а также возникновения новых технологий опреснения воды.

К тому же предполагается, что исследования воды могут быть первым шагом на пути к изучению суперионного поведения других веществ и материалов.