Странное состояние воды, совмещающее свойства твердого тела и жидкости

Ученые из Токийского университета наук в Японии экспериментально подтвердили существование странного состояния воды, в котором она одновременно ведет себя и как твердое тело, и как жидкость. Это явление, известное как состояние предплавления, возникает, когда вода помещается в чрезвычайно узкие пространства наномасштаба. На макроуровне различие между жидкой водой и льдом очевидно: в льду молекулы зафиксированы в жесткой кристаллической решетке, а в воде они свободно движутся, постоянно образуя и разрывая связи.

Однако в новом исследовании было показано, что в состоянии предплавления молекулы воды занимают фиксированное положение, как в твердом теле, но при этом быстро вращаются, как в жидкости.

Как объяснил химик Макото Тадокоро, состояние предплавления включает плавление не полностью связанных водородными связями молекул воды до того, как полностью замороженная кристаллическая структура льда начинает таять в процессе нагрева. По сути, это представляет собой новую фазу воды, в которой сосуществуют замерзшие слои молекул и медленно движущиеся молекулы. Для наблюдения этого уникального состояния потребовалась сложная экспериментальная установка. Исследователи использовали так называемую тяжелую воду, в которой атомы водорода заменены на дейтерий. Эту воду поместили в сверхузкие гидрофильные каналы шириной всего 1,6 нанометра внутри стержнеобразных кристаллов, заморозили, а затем постепенно нагревали.

Весь процесс наблюдался с помощью статической спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах дейтерия. Этот метод позволил обнаружить, что молекулы формируют иерархическую трехслойную структуру, где в каждом слое наблюдаются разные типы движения и взаимодействия. Наиболее знакомым примером состояния предплавления является тонкая пленка воды, которая образуется на поверхности льда даже при температурах ниже нуля. Однако в условиях экстремального пространственного ограничения этот процесс протекает иным образом.

Вода на наноуровне демонстрирует и другие аномальные свойства, такие как изменение электрических характеристик, способность не замерзать near абсолютного нуля или, наоборот, замерзать при температурах, при которых она должна кипеть. Изучение этих особенностей открывает путь к практическому применению. Как отмечает Тадокоро, создание новых ледяных сетчатых структур может позволить хранить энергоемкие газы, такие как водород и метан, а также разрабатывать водные материалы, например, искусственные газовые гидраты.

Исследование было опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

Источник