Многие помнят из школьных уроков химии, что вода на уровне моря замерзает при нуле градусов Цельсия, а закипает при ста градусах. Также многие помнят, что практически в каждом правиле есть исключения.
Такое исключение обнаружили исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), выяснив, что вода, заключённая внутри крошечных полостей углеродных нанотрубок, ведёт себя необычным образом. Она может полностью замёрзнуть при температурах, превышающих температуру кипения, то есть выше 100 градусов по Цельсию.
Такое открытие можно будет применить при создании протонопроводящих "ледяных проводов", считают специалисты.
Выше мы уточнили, что отметки ноль и сто градусов верны для уровня моря, но в горах, например, ситуация изменяется. Всё потому, что одна лишь температура не является единственным фактором, определяющим то, когда вода (и любое другое вещество) начнёт преобразовываться из твёрдого состояния в жидкое и газообразное. Давление также играет большую роль, а на высоте давление атмосферы ниже, в итоге вода в горах кипит при более низких температурах.
Также известно, что вода ведёт себя достаточно странно, когда она заключена в тесном пространстве. Так, учёные из Национальной лаборатории Оук-Ридж в США ранее обнаружили, что вода имеет необычное состояние, когда она находится под сильным давлением в крошечных пространствах.
Оказалось, молекулы воды в шестиугольных сверхмалых каналах в минерале берилл демонстрируют квантовый эффект туннелирования. Такое состояние воды никогда ранее не наблюдалось учёными и не соответствовало каким-либо типичным состояниям этого вещества.
Кстати, исследования 1990-х годов также показали, что вода может непроизвольно испаряться, когда она плотно окружена гидрофобными материалами. Такое явление учёные наблюдали, когда случайно создали наностержень, который собирал воду из воздуха.
"Если вы заключили жидкость в нанополости, то вы сможете фактически изменить её фазовое поведение. И получившийся эффект будет намного большим, чем ожидалось", — говорит ведущий автор исследования Майкл Страно (Michael Strano).
Исследователи, конечно, ожидали увидеть изменения в температуре, при которой вода кипит и замерзает, но результаты их по-настоящему удивили – температура замерзания повышалась, а не понижалась. В одном эксперименте вода затвердевала в нанотрубке при температурах между 105 и 151 градусом Цельсия.
Отчасти результаты исследования застали учёных врасплох по той причине, что ранее моделирование показало, что результат будет совсем другим. Возможно, неверные выводы получились из-за неточных измерений, которые достаточно трудно провести при таких крошечных масштабах, с которыми работали специалисты.
В итоге учёные обнаружили, что изменение диаметра нанотрубки всего на 0,01 нанометра может изменить точку замерзания воды на несколько десятков градусов.
Исследователи MIT помещали воду в нанотрубку через оба конца, которые оставались открытыми. При этом, как именно вода попадала внутрь, до сих пор остаётся загадкой, учитывая тот факт, что обычно нанотрубки отталкивают воду.
С помощью колебательной спектроскопии учёные смогли отслеживать не только движение воды в нанотрубке, но и её фазовое состояние – твёрдое, жидкое или газообраное.
И хотя вода безусловно переходила в твёрдую фазу, исследователи не хотят называть это состояние словом "лёд", поскольку этот термин подразумевает определённого рода кристаллическую структуру (и, раз уж на то пошло, разновидностей фаз льда существует более десятка). Таким образом, то, что в нанотрубках вода превращается именно в лёд, ещё только предстоит доказать. "Это необязательно именно лёд, но вещество находится в фазе подобной льду", — говорит Страно.
Как бы то ни было, по мнению исследователей, раз такое странное состояние вещества остаётся стабильным при комнатной температуре, то можно разработать тип "ледяных проводов", которые проводят протоны в десять раз лучше, чем существующие материалы. Но в этом направлении предстоит ещё проделать массу работы, чтобы достичь практического результата.
Исследование о необычном состоянии воды опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
