Мислим си, че знаем как се държи водата, но до този момент не сме проучвали какво се случва, когато се вмъкне в изключително малки пространства (с дебелина колкото една-единствена молекула). Оказва се, че в тази ситуация тя няма нищо общо с водата, която познаваме по принцип.

Като цяло водата притежава три състояния – твърдо, течно и газово. Съществуват обаче и други, които настъпват единствено при изключително екстремни условия. През последните години специалистите, които искат да се научат да манипулират и измерват материята, откриха доста от тях. И сега идва ред на най-новото – когато водата бъде пленена в условия, при които образува един-единствен пласт колкото една молекула, тя образува последователно няколко различни фази. За разлика от другите състояния на материята, тези (или поне не всички) не се нуждаят от изключително високи количества енергия или налягане. В случая основното предизвикателство е как точно да наблюдаваме поведението им и съответно – да разберем по-добре структурата.

Новото изследване по темата е публикувано в научното издание Nature.

С помощта на компютърни модели на вода, поставена в миниатюрен канал от графен, д-р Венкат Капил от Кейбмбриджкия университет и неговите колеги откриват, че когато налягането е ниско, водата образува фаза, която наподобява тази на леда (с тази разлика, че точката на топене е приблизително 100° C по-ниска от триизмерната си версия), като молекулите са подредени в шестоъгълна форма.

Когато налягането или температурите започнат да се увеличават, молекулите се пренареждат – първо в петоъгълни, а после в ромбични форми. При налягания, които учените определят като „междинни“ (около 8000 атмосфери) водата навлиза в т.нар. „хексатична“ (hexatic) фаза. В този случай тя не е нито в течно, нито в твърдо състояние, а в нещо средно между двете – с фиксирани, но въртящи се молекули. И това продължава, докато температурите не се повишат над 70° C.

Източник: Kapil et al/Nature

Когато налягането се увеличи допълнително, водата става свръхйонна. Тогава тя по-скоро наподобява лед, отколкото вода, но е изключително електропроводима. Токът обаче не се пренася нито от протони, нито от електрони. Стандартната вода също може да има свръхйонна фаза, но за да я постигнете, ще се нуждаете от изключително високо налягане.

Понякога другите състояния на материята, като например тези, които могат да настъпят при изключително ниски температури или при екстремни налягания, нямат практично приложение. Сегашният случай обаче не е задължително да е такъв. В порестите материали откриваме най-различни миниатюрни пролуки, а пластове с дебелина една молекула могат да възникнат между мембраните (независимо дали имаме нуждата от тях или не).

Според авторите някои от тези състояния на водата се срещат дори и в нашите собствени тела (в случаите, когато пространствата станат прекалено малки, че да я удържат в стандартната ѝ форма). А това от своя страна може да окаже влияние върху ефективността на различните медицински лечения. По същия начин и батериите, и проектите за обезсоляване на водата включват вода, намираща се в тези фази – просто нямаме представа как това влияе на производството.

Ето защо е важно да разберем как точно се държи водата в различните си фази. „Нашият подход позволява изследването на един-единствен пласт вода в подобен на графен канал с безпрецедентна предиктивна точност“, казва Капил.

Хексатичното поведение, което авторите описват, пасва до голяма степен на предишните прогнози, но свръхйонното състояние ни отвежда буквално в неизследвани води.

Свръхйонното състояние се среща основно при екстремни условия – например в ядрото на Уран и Нептун. Можем да визуализираме тази фаза по следния начин – кислородните атоми образуват твърда мрежа, а протоните текат като течност през нея – досущ като деца, тичащи през лабиринт, обяснява Капил.

Авторите се надяват, че ще могат да използват изключителната проводимост на свръхйонната фаза, за да подобрят дизайна на батериите.

Източник: IFLScience