Вода, несмотря на свою повсеместную распространенность и известность, остаётся загадочным веществом, особенно когда речь идет о её поведении в малом масштабе. Исследования показывают, что вода, находящаяся в наномасштабных условиях — внутри белков, минералов и наноматериалов — ведёт себя иначе, чем мы привыкли видеть в обычной жидкой форме. И это поведение имеет значительное влияние на вспомогательные процессы в природе и технологиях.
Состояние предплавления: на грани замерзания
Одним из самых интригующих состояний воды является «состояние предплавления». Это уникальное явление возникает, когда вода оказывается на грани замерзания и плавления одновременно. Однако до недавнего времени его сложно было изучать из-за недостаточной чувствительности традиционных методов, которые не могли зафиксировать молекулярные движения на пикосекундном уровне.
Недавние исследования команды ученых из Токийского университета под руководством профессора Макото Тадокоро предоставили новое понимание этого состояния. В их работе, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, была использована статическая дейтериевая ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия для анализа динамики воды в гидрофильных нанопорах молекулярного кристалла.
Экспериментальные находки и результаты
Научная группа создала гексагональные кристаллы с нанопорами диаметром около 1,6 нм и заполнила их тяжёлой водой (D2O). При исследовании спектров при комнатной температуре было установлено, что молекулы воды формируют иерархическую трёхслойную структуру, где слои взаимодействуют через водородные связи.
- Замерзание в нанопорах заметно отличается от замерзания объёмного льда.
- Состояние предплавления, в котором замороженные слои H2O сосуществуют с движущимися молекулами, создаёт уникальную динамику.
Оказалось, что в этом состоянии, несмотря на наличие неподвижных водородных связей, молекулы воды обладают быстрым вращением, подобным таковому в жидкой воде. Энергия активности в этом состоянии значительно ниже, чем для объёмного льда, но близка к энергии жидкостей.
Перспективы исследований
Данные исследования углубляют понимание поведения воды под ограниченными условиями, что имеет важные последствия для изучения проникновения воды и ионов через клеточные мембраны, а также среди белков. Это может открыть новые горизонты в разработке материалов для хранения энергетических газов, таких как водород и метан, и сыграть ключевую роль в создании лекарственных средств. Изучение и управление процессами замерзания воды может привести к созданию новых безопасных материалов для гидросферы.
