Ученые обнаружили уникальное состояние воды: жидкое и твердое одновременно

Вода кажется нам самым привычным веществом на Земле, но наука продолжает открывать в ее поведении новые и неожиданные стороны. Оказавшись в замкнутом пространстве, вода приобретает уникальные свойства  / Источник: Unsplash

Особенно интересно ведет себя вода, когда оказывается в ограниченном, миниатюрном по своим размерам, пространстве - например, внутри белков, минералов или наноматериалов. В таких условиях она прекращает быть «обычной жидкостью» и приобретает свойства, которые критически важны для физиологических процессов, протекающих в живых клетках и для перспективных технологий.

Новая работа команды химиков из Токийского университета наук посвящена одному из таких загадочных состояний — так называемому «состоянию предплавления». Это особая фаза, в которой вода находится буквально на грани между замерзанием и таянием — и, соответственно, ведет себя одновременно и как твердое тело, и как жидкость — точно так же, как разработанный недавно американскими учеными уникальный материал. До сих пор изучить это состояние удавалось лишь косвенно: стандартные методы, например, рентгеновская дифракция, не способны уловить быстрые вращательные движения молекул водорода.

Команда под руководством профессора Макото Тадокоро использовала более точный подход. Ученые создали молекулярные кристаллы с нанопорами диаметром около 1,6 нанометра, заполнили их тяжелой водой (D2O) и изучили их при помощи твердотельной дейтериевой ЯМР‑спектроскопии. Результаты показали, что вода внутри пор организуется в три разных слоя с уникальными типами движения и связей в каждом из них, а при замерзании образует структуру, которая отличается от привычного нам льда.

В состоянии предплавления вода одновременно демонстрирует свойства и твердого вещества, и жидкости / Источник: Freepik

При постепенном нагреве образцов оказалось, что вода не переходит напрямую из твердого состояния в жидкое. Сначала формируется промежуточная фаза: часть молекул остается в «ледоподобной» сетке, а часть начинает двигаться почти как в обычной воде. Молекулы сохраняют свое фиксированное положение, но при этом начинают вращаться с большой скоростью, что и создает эффект «жидкого льда».

Авторы отмечают, что их открытие имеет не только сугубо научное значение. Оно поможет лучше разобраться, как именно вода и ионы проходят через клеточные мембраны и белковые каналы, а эти знания могут лечь в основу разработки новых технологий хранения газов и материалов на основе водных структур, например, искусственных газовых гидратов.

Даже вещество, с которым мы сталкиваемся ежедневно, все еще хранит в себе множество загадок. Вода остается «живой лабораторией» для физиков и химиков, которая открывает уникальные возможности как для биологии, так и для новых технологий.

Ранее ученые обнаружили, что лед является уникальным источником электроэнергии будущего.