Исследователи впервые в истории зафиксировали физическое поведение воды, ограниченной пространством толщиной в одну молекулу. Ученые из Манчестерского университета, Национального графенового института (NGI), Центра синхротронных исследований Diamond Light Source и Свободного университета Берлина доказали, что в столь экстремальных условиях вода перестает быть «уменьшенной копией» привычной жидкости: ее динамическая сеть водородных связей разрушается, трансформируясь в принципиально иную архитектуру.
В обычном состоянии молекулы воды постоянно обмениваются водородными связями со своим окружением, формируя хаотичную трехмерную структуру. Однако при принудительном сжатии до монослоя подобная геометрия становится физически невозможной. До настоящего момента экспериментальная проверка этой теории была крайне затруднена из-за ничтожно малого объема исследуемого вещества.
Чтобы преодолеть это препятствие, группа специалистов под руководством профессора Радхи Бойи сконструировала ультратонкие каналы высотой в несколько ангстрем. В качестве материала для стенок были выбраны двумерные структуры, такие как графит и гексагональный нитрид бора. Эти поверхности обеспечили не только идеальную гладкость, но и позволили усилить слабый сигнал воды для проведения прецизионных измерений.
Для анализа команда применила метод инфракрасной микроспектроскопии на базе линии MIRIAM B22 (комплекс Diamond Light Source). Данная технология позволяет отслеживать вибрации химических связей, в частности, изменения при растяжении связей между атомами водорода и кислорода.
Сравнивая показатели воды в каналах различной толщины с контрольными образцами, исследователи смогли зафиксировать момент перехода от объемной жидкости к истинному двумерному состоянию.
Эксперимент показал, что в монослое спектр поглощения воды смещается в сторону высоких частот. Единая трехмерная сеть исчезает, уступая место фрагментированной «мозаике»: микроскопические кластеры молекул, связанных водородными связями, оказываются окружены слабосвязанными или практически изолированными молекулами. Этот феномен является прямым следствием нарушения привычной архитектуры водородных связей.
При расширении канала до 1 нанометра (толщина примерно в три молекулярных слоя) свойства жидкости возвращались к стандартным значениям. Это подтвердило, что аномальное поведение присуще именно предельному двумерному состоянию.
Компьютерное моделирование на атомном уровне полностью совпало с экспериментальными данными, подтвердив, что «двумерная вода» обладает высокой плотностью и фундаментально отличается как от объемной воды, так и от тонких пленок на поверхностях. Данная работа впервые обеспечила эмпирическую базу для теоретических моделей поведения воды в условиях жесткого пространственного ограничения.
Полученные результаты имеют огромное значение для развития нанотехнологий: от создания продвинутых нанофлюидных схем и селективных мембран до разработки перспективных электрохимических и энергетических систем. Точное понимание свойств воды в монослое критически важно для изучения процессов в биологических каналах и проектирования наноустройств нового поколения, где жидкости демонстрируют свойства, нехарактерные для макромира.
Источник: iXBT
