Вода в один слой молекул впервые явила свою настоящую структуру и растяжение связей
[unable to retrieve full-text content]
Учёные выяснили, что при толщине всего в одну молекулу водородные связи перестраиваются, превращая обычную жидкость в мозаичную структуру из отдельных кластеров
Учёные впервые напрямую измерили, как ведёт себя вода, если ограничить её пространством толщиной всего в одну молекулу. Исследователи из Манчестерского университета, Национального графенового института (NGI) в Манчестере, британского национального центра синхротронных исследований Diamond Light Source и Свободного университета Берлина показали, что в таких экстремальных условиях вода перестаёт быть «уменьшенной копией обычной жидкости»: её сеть водородных связей распадается и формирует новую структуру.
В привычной воде каждая молекула постоянно образует и разрывает водородные связи с соседями во всех направлениях, создавая трёхмерную динамическую сеть. Однако при сжатии до одного молекулярного слоя такая система больше не может сохранять привычную геометрию. До сих пор учёным было крайне сложно проверить эти изменения экспериментально из-за экстремально малого количества вещества.
Чтобы решить эту задачу, команда под руководством профессора Радхи Бойи (Radha Boya) создала сверхтонкие каналы высотой всего несколько ангстремов — единиц длины, равных одной десятимиллиардной метра. Каналы сформировали из слоёв двумерных материалов, включая графит и гексагональный нитрид бора. Эти материалы одновременно служили идеально гладкими стенками и усиливали слабый сигнал воды при измерениях.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Для анализа учёные использовали инфракрасную микроспектроскопию на линии MIRIAM B22 комплекса Diamond Light Source — одного из крупнейших источников синхротронного излучения в Великобритании. Метод позволяет изучать колебания химических связей, в частности растяжения связей между атомами кислорода и водорода в молекулах воды.
Сравнивая воду в каналах разной толщины с водой внутри того же образца, исследователи смогли проследить переход от трёхмерной жидкости к настоящему двумерному состоянию.
Оказалось, что в слое толщиной в одну молекулу спектр поглощения воды смещается в сторону более высоких частот. Вместо единой трёхмерной сети молекулы формируют фрагментированную «мозаичную» структуру: небольшие группы молекул, соединённых водородными связями, окружены более слабо связанными или практически свободными молекулами воды. По словам учёных, это свидетельствует о нарушении привычной системы водородных связей.
При увеличении толщины канала примерно до 1 нанометра, то есть около 3 молекулярных слоёв воды, свойства жидкости постепенно возвращались к состоянию обычной воды. Это показало, что обнаруженный эффект связан именно с предельным двумерным состоянием, когда вода ограничена одним слоем молекул.
Компьютерное моделирование на атомном уровне повторило результаты экспериментов и показало, что «двумерная вода» обладает высокой плотностью и отличается как от обычной воды, так и от тонких слоёв жидкости, находящихся на поверхности других материалов. Полученные данные впервые дали прямое экспериментальное подтверждение теоретическим предположениям о поведении воды в условиях экстремального ограничения.
Результаты работы важны для разработки технологий, где жидкости существуют в наномасштабе: нанофлюидных схем, селективных мембран, электрохимических устройств и энергетических систем. Возможность точно измерять свойства воды на уровне одного молекулярного слоя позволит лучше понять процессы, происходящие внутри биологических каналов и будущих наноустройств, где поведение жидкости сильно отличается от привычного.
© iXBT
