Нейтронография и компьютерное моделирование показали уникальное и неожиданное поведение молекул воды в условиях экстремального конфайнмента, сообщает phys.org.

Исследователи из Национальной лаборатории в Оук-Ридж совместно с лабораторией Резерфорда-Эплтона провели эксперимент, чтобы выяснить, что происходит с водой, когда она находится внутри минералов. Таким образом они хотели понять, какое состояние принимает жидкость в микротрещинах горных пород, почве, а также в ходе диффузии через клеточные мембраны.

В ходе эксперимента воду помещали в шестиугольные сверхмалые каналы в минерале берилл. Диаметр этих каналов составляет всего 5 ангстрем, то есть 10^-10 метра (отдельные атомы, как правило, около 1 ангстрем в диаметре). Подвергая молекулы воды процессу туннелирования — помещения в эти емкости — исследователи обнаружили, что частицы демонстрируют довольно странное поведение, преодолевая потенциальный барьер и начиная квантовое движение. Такое состояние H₂O наблюдалось учеными впервые и не соответствовало типичным формам вещества.

Ранее считалось, что такое явление существует только в квантовой механике.

«В этом случае атомы кислорода и водорода являются „делокализоваными“ и, значит, одновременно присутствуют в шести симметричных позициях канала», сказал ведущий автор исследования Александр Колесников.

Водные кольца. Одна молекула воды может быть ограничена внутри канала берилла шестиугольной формы (слева). Светло-голубые сферы показывают позиции одного атома водорода в молекуле воды, как это происходит одновременно в шести симметричных позициях канала. Туннелирование между этими ориентациями означает, что атом водорода не находится в одном положении, а «размазывается» в форме кольца. Правый рисунок в пространственном масштабе показывает распределение электронной плотности водорода, от синего (низкое) до желтого (самое высокое).

Открытие этого «квантового туннелирования» состояния молекул воды в берилле, как ожидается, поможет ученым понять термодинамические свойства воды в замкнутых средах, таких как углеродные нанотрубки, а также в различных геологических условиях.

Сотрудник Лаборатории Резерфорда-Эплтона Лоуренс Ановитц отметил, что открытие вызовет дискуссию в биологических, геологических и физико-математических кругах, поскольку ученые попытаются объяснить механизм этого явления и понять, как он действует на их сферы.

Исследователи также сообщили, что средняя кинетическая энергия протонов воды, полученных непосредственно из нейтронного эксперимента, определяет скорость их движения при нуле градусов по шкале Цельсия и демонстрирует показатели на 30% меньше, чем в жидкой и твёрдой форме.