Исследователи теперь может быть смогут «замораживать» воду, превращая ее в твердое состояние, не охлаждением до температур замерзания, а ограничением ее в очень узких объемах, не превышающих 1 нм в поперечнике. Таков результат новых исследований команды из Принстонского Университета США.

Необычные физические характеристики макроскопических объемов воды (к примеру, способность расширяться при охлаждении) к настоящему моменту исследованы довольно хорошо; информации же о том, как изменяются свойства жидкости и процессы фазовых переходов при локализации молекул в нанометровых пространствах, практически не имеется.

Проф. Пабло Дебенедетти – Зам. Декана Школы Инженерных и Прикладных научных исследований Принстонского Университета (изображение с сайта Princeton University).

Восполнить этот пробел попыталась группа ученых, возглавляемая профессором Пабло Дебенедетти (Pablo Debenedetti) из Принстонского университета. Исследователи провели компьютерное моделирование поведения молекул воды, заключенных между двумя гипотетическими водоотталкивающими пластинами. Температура была зафиксирована на отметке 300 К, а расстояние между пластинами изменялось в пределах от 1,6 до 0,6 нм. При уменьшении просвета до размеров, примерно соответствующих длине цепочки из трех молекул воды (0,7…0,9 нм), был зарегистрирован фазовый переход первого рода: ученые получили никогда ранее не наблюдавшееся состояние, в котором между двумя слоями «замерзшей» воды, прилегавшими к пластинам, располагался слой жидкости. Каждый из слоев толщиной в одну молекулу сохранял свои свойства при заданной – комнатной – температуре.

Такое состояние продержалось в течение всего смоделированного отрезка времени (около двух наносекунд). По меркам компьютерной симуляции указанная продолжительность весьма велика. Как считает проф. Дебенедетти, результаты свидетельствуют о том, что полученное состояние стабильно, и средний слой никогда не замерзнет при сохранении внешних условий. Когда расстояние между пластинами было увеличено, вода вновь превратилась в жидкость.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters (Nicolas Giovambattista, Peter J. Rossky, and Pablo G. Debenedetti. Phase Transitions Induced by Nanoconfinement in Liquid Water, – Phys. Rev. Lett., 2009, 102, 050603 (2009); DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.050603).

По мнению проф. Дебенедетти, проведенное моделирование представляет значительный практический интерес. В подтверждение своих слов он приводит пример водородных топливных элементов, генерация электрической энергии в которых осуществляется при прохождении ионов водорода сквозь мембрану, где в каналах нанометрового размера заключена вода.

В будущем авторы работы намереваются определить, как условия симуляции влияют на свойства воды. В частности, планируется смоделировать пластины с неровной поверхностью и различные диапазоны температур, а также исследовать поведение растворов.

Евгений Биргер