Вода може бути рідиною та твердою речовиною одночасно

Вода здається нам звичайною речовиною, але насправді вона набагато дивніша, ніж можна подумати. Японські дослідники продемонстрували, що молекули води в обмеженому просторі здатні одночасно поводитися як тверда речовина і як рідина.

Різниця між рідкою водою та льодом, яку ми спостерігаємо на макрорівні, починається на мікрорівні. У льоді молекули зафіксовані в жорстких структурах, тоді як у воді вони фактично вільно плавають, постійно утворюючи та розриваючи зв'язки.

У незвичному стані, описаному в новому дослідженні, молекули роблять і те, і інше одночасно. Вони перебувають у фіксованому положенні, як у льоді, але швидко обертаються, як у рідині. Цей стан відомий як передплавлення, і раніше його не вдавалося безпосередньо вивчити.

«Стан передплавлення передбачає плавлення не повністю зв'язаних воднем молекул води перед тим, як повністю заморожена структура льоду починає танути під час нагрівання», — пояснює Макото Тадокоро, хімік з Токійського університету науки. «По суті, це новий стан води, в якому заморожені шари молекул води співіснують з повільно рухомими молекулами води».

Щоб побачити цей дивний стан, знадобилася складна експериментальна установка. По-перше, вода була не зовсім того типу, до якого ми звикли в повсякденному житті. Це так звана важка вода, в якій атоми водню замінені на дейтерій — ізотоп водню, що містить нейтрон у своєму ядрі.

Цю важку воду потім помістили в надзвичайно тісний простір, де виникають різноманітні екзотичні явища. Дослідники виготовили стрижнеподібні кристали з крихітними гідрофільними каналами шириною лише 1,6 нанометра, заморозили в них важку воду, а потім повільно нагрівали.

Весь процес вони спостерігали за допомогою статичної твердотільної дейтерієвої спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Це дозволило виявити, що молекули утворюють ієрархічну триярусну структуру з різними типами рухів та взаємодій у кожному шарі.

Стан передплавлення найбільш знайомий нам як тонка плівка води, що утворюється на поверхні льоду, навіть якщо температура все ще нижча за нуль. Але в масивному льоді це відбувається інакше, ніж в умовах екстремального обмеження простору.

Відомо, що вода демонструє дивну поведінку, коли її обмежують до нанорозмірів. Її електричні властивості можуть змінюватися. Її можна зробити такою, що не замерзає навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля, або ж вона може замерзнути при температурах, за яких мала б кипіти.

Використання цих особливостей може мати й практичне застосування, зазначає команда дослідників. «Створюючи нові структури льодових мереж, можна буде зберігати енергетичні гази, такі як водень і метан, і розробляти матеріали на основі води, такі як штучні газові гідрати», — каже Тадокоро.

Дослідження опубліковано в журналі Американського хімічного товариства. Це відкриття розширює наше розуміння поведінки води в екстремальних умовах і може відкрити нові можливості для технологічних застосувань у майбутньому.