У воды обнаружено странное состояние: она кажется одновременно твердой и жидкой

Вода может показаться скучной, но она гораздо страннее, чем кажется. Японские учёные доказали, что в ограниченном пространстве молекулы воды могут вести себя одновременно как твёрдое и как жидкость. Новое исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

Различия между жидкой водой и льдом, которые мы наблюдаем в макромасштабе, начинаются на микроуровне. Во льду молекулы объединены в жёсткие структуры, тогда как в воде они, по сути, свободно парят, постоянно образуя и разрывая связи.

В необычном состоянии, описанном в новой статье, молекулы как бы выполняют оба эти функции. Они находятся в фиксированном положении, как лёд, но вращаются быстро, как в жидкости. Это состояние, известное как состояние предплавления, ранее не поддавалось прямому изучению.

«Состояние, предшествующее плавлению, подразумевает плавление не полностью связанной водородными связями H2O до того, как полностью замороженная структура льда начнет таять в процессе нагревания», — говорит Макото Тадокоро из Токийского научного университета. «По сути, это новая фаза воды, в которой сосуществуют замороженные слои H₂O и медленно движущаяся H₂O».

Для наблюдения этого странного состояния потребовалась сложная экспериментальная установка. Во-первых, вода была не совсем той, к которой мы привыкли в повседневной жизни: это была так называемая «тяжёлая вода», в которой атомы водорода заменены на дейтерий — изотоп водорода, содержащий нейтрон в ядре.

Затем этот «D₂O» был помещен в чрезвычайно ограниченное пространство, где проявлялись всевозможные экзотические особенности. Исследователи создали стержневидные кристаллы с крошечными гидрофильными каналами шириной всего 1,6 нанометра, заморозили в них тяжёлую воду и медленно нагрели их.

Наконец, они наблюдали за всем процессом с помощью статической твердотельной дейтериевой ядерно-магнитной резонансной спектроскопии (ЯМР). Это показало, что молекулы образуют иерархическую трёхслойную структуру с различными типами движений и взаимодействий в каждом слое.

Состояние, предшествующее плавлению, вероятно, наиболее знакомо нам как тонкая плёнка воды, образующаяся на поверхности льда, даже если температура всё ещё ниже нуля. Но в толще льда это происходит иначе, чем в условиях экстремально ограниченного пространства.

Уже известно, что вода способна творить странные вещи в наномасштабах. Её электрические свойства могут меняться: её можно сделать «незамерзающей» даже при температурах, близких к абсолютному нулю, или она может замерзнуть при температурах, при которых должна кипеть.

Команда утверждает, что использование этих особенностей может иметь и практическое применение.

«Создавая новые структуры ледяной сети, можно будет хранить энергетические газы, такие как водород и метан, а также разрабатывать материалы на водной основе, такие как искусственные газовые гидраты», — говорит Тадокоро.