Согласно новой статье, опубликованной в журнале Nature, вода в слое из одной молекулы не ведет себя ни как жидкость и ни как твердое тело и становится очень проводящей при высоких давлениях.
Вода, захваченная между мембранами или в крошечных наноразмерных полостях, является обычным явлением. Ее можно найти во всем: от мембран в наших телах до геологических образований.
Но такая замкнутая в монослое вода ведет себя совсем иначе, чем вода, которую мы пьем.
До сих пор проблемы экспериментальной характеристики фаз воды в наномасштабе мешали полному пониманию ее поведения.
В новом исследовании ученые из Кембриджского университета решили предсказать фазовую диаграмму слоя воды толщиной в одну молекулу с беспрецедентной точностью.
Они использовали комбинацию вычислительных подходов, чтобы обеспечить исследование на уровне первых принципов одного слоя воды.
Ученые обнаружили, что вода, заключенная в слой толщиной в одну молекулу, проходит через несколько фаз, включая «гексатическую» фазу и «суперионную» фазу.
В гексатической фазе вода действует не как твердое тело и не как жидкость, а как нечто среднее между ними.
В суперионной фазе, которая возникает при более высоких давлениях, вода становится очень проводящей, быстро продвигая протоны сквозь лед, что напоминает поток электронов в проводнике.
«Для всех этих областей понимание поведения воды является основополагающим вопросом», — говорят ученые. «Наш подход позволяет изучать один слой воды в графеноподобном канале с беспрецедентной точностью прогнозирования».
Исследователи обнаружили, что слой воды толщиной в одну молекулу внутри наноканала демонстрирует богатое и разнообразное фазовое поведение.
Их подход предсказывает несколько фаз, которые включают гексатическую фазу — промежуточное звено между твердым телом и жидкостью, а также суперионную фазу, в которой вода обладает высокой электропроводностью.
«Гексатическая фаза не является ни твердой, ни жидкой, а является промежуточным продуктом, что согласуется с предыдущими теориями о двумерных материалах», — говорят исследователи.
«Наш подход также предполагает, что эту фазу можно наблюдать экспериментально, удерживая воду в графеновом канале».
«Существование суперионной фазы в легкодоступных условиях является своеобразным, поскольку эта фаза обычно обнаруживается в экстремальных условиях, таких как ядро Урана и Нептуна».
«Один из способов визуализировать эту фазу состоит в том, что атомы кислорода образуют твердую решетку, а протоны, как жидкость, текут через решетку, как дети, бегущие по лабиринту».
Эта суперионная фаза может быть важна для будущих электролитов и аккумуляторных материалов, поскольку ее электропроводность в 100–1000 раз выше, чем у современных аккумуляторных материалов.
Результаты не только помогут понять, как работает вода в наномасштабе, но также предполагают, что «наноудержание» может стать новым путем к обнаружению суперионного поведения других материалов.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.