Новая техника съёмки впервые позволила увидеть молекулярные слои воды на плоской поверхности при комнатной температуре. Об этом достижении рапортуют физики из Калифорнийского технологического института.

В обычном мире вода присутствует почти повсюду, и на любом предмете можно отыскать её следы. Но молекулы H2O слишком подвижны, чтобы их можно было заснять атомным силовым микроскопом, ощупывающим образец своим зондом. И вот теперь учёные из Калтеха случайно наткнулись на способ «фотографирования» таких молекул.

Рис. 1. Атомный силовой микрограф дает изображение с размерами 1 мкм*1.5 мкм. Ледяные кристаллы (наиболее светло-голубые области) имеют высоту 0.37 нм, что составляет толщу в 2 молекулы воды кристаллического льда. Графеновая пленка толщиной в один атом используется для обеспечения конформного покрытия и заманивания в ловушку воду, которая адсорбировала на поверхность слюды, обеспечивающей отображение с помощью атомной силовой микроскопии. Детальный анализ таких изображений показывает, что верхний слой воды – лед, существует даже при комнатной температуре. При выосоком уровне влажности второй слой воды покроет первый слой, также как лед. При очень высоких уровнях влажности, дополнительные слои воды покроют поверхность как капельки. Фото Heath group/Caltech.

Физики изучали при помощи атомной микроскопии мономолекулярный лист углерода (графен), выложенный на атомарно-плоскую поверхность слюды. На удивление съёмка показала наличие во многих местах странных островков, возвышающихся на 0,37 нанометра. Исследователи догадались, что между графеном и слюдой в ловушку попались молекулы воды, углерод накрыл их, словно плед кошку на диване или термоусадочная плёнка — продукты. Обездвиженные молекулы дали отснять себя через этот покров.

Анализ показал: вода под графеном сформировала лёд высотой в две молекулы. При этом рост влажности воздуха увеличивал и количество слоёв — вместо «двухмолекулярного» льда наращивался «четырёхмолекулярный». (Это согласуется с прежними экспериментами, из которых следовало, что жидкая вода — не вполне жидкость. А уж на границе с твёрдым телом с H2O происходят и вовсе удивительные и разнообразные превращения.)

Одновременно учёные установили, что по мере роста влажности увеличивается и число островков, а в совершенно сухом воздухе они не образуются, что подтвердило догадку о пойманных под графеном молекулах воды. (Детали опыта изложены в статье в Science.)

Авторы работают над повышением разрешения съёмки и адаптацией найденного принципа к фотографированию белковых комплексов. Учёные указывают, что съёмка тысяч отдельных молекул «под одеялом» после обработки на компьютере позволит выявить точную структуру этих молекул. Если продолжать аналогию с пледом, перспектива представляется так: можно сделать тысячи фотографий укрытой кошки в разном положении, после чего точно реконструировать каждую деталь её тела.

По материалам: