Лёд, который не тает: японские физики открыли новую фазу воды, меняющую представление о физике

Она кажется привычной и простой: мы пьём её, купаемся, наблюдаем дождь и снег. Но чем глубже учёные изучают воду, тем больше загадок открывают. Недавнее исследование японских физиков показало, что в особых условиях молекулы воды могут существовать в состоянии, которое объединяет свойства жидкости и твёрдого тела.

Когда лёд и вода становятся одним целым

В обычной жизни разница между водой и льдом очевидна. Однако на микроуровне граница между этими состояниями размыта. В кристаллическом льду молекулы жёстко сцеплены в решётку, а в жидкости они свободно перемещаются, образуя и разрушая связи каждую долю секунды.

В новом эксперименте японские исследователи обнаружили необычное состояние, в котором молекулы ведут себя как бы одновременно по двум сценариям: остаются на месте, как во льду, но при этом вращаются, словно в жидкости. Это состояние получило название "предплавление" - фаза, когда лёд уже частично "оживает", но ещё не тает полностью.

"Состояние, предшествующее плавлению, подразумевает плавление не полностью связанной водородными связями H2O до того, как полностью замороженная структура льда начнет таять в процессе нагревания", — пояснил профессор Макото Тадокоро из Токийского научного университета.

По словам учёного, это своего рода новая фаза воды, где в ограниченном пространстве сосуществуют слои замороженной и подвижной H₂O.

Как учёные заставили воду вести себя странно

Чтобы наблюдать это явление, команда применила сложную установку. Использовалась не обычная, а "тяжёлая вода" (D₂O), в которой атомы водорода заменены изотопом — дейтерием. Эта форма воды ведёт себя схоже с привычной, но обладает немного иными физическими свойствами, что помогает точнее фиксировать микроскопические изменения.

Исследователи поместили тяжёлую воду в тончайшие каналы шириной всего 1,6 нанометра - меньше, чем одна миллионная миллиметра. Эти узкие пространства были созданы внутри стержневидных кристаллов с гидрофильными порами. После замораживания образец медленно нагревали, отслеживая происходящее с помощью дейтериевой ЯМР-спектроскопии.

Результаты оказались поразительными: внутри кристаллов молекулы воды выстраивались в трёхслойную структуру, в которой каждый слой обладал своей динамикой — где-то молекулы вращались быстрее, где-то оставались почти неподвижными.

Вода в ограниченном пространстве

Обычно состояние предплавления можно заметить в быту — например, когда на поверхности льда появляется едва заметная влажная плёнка при температуре ниже нуля. Однако в наноканалах этот процесс протекает иначе. Там нет "поверхности" в привычном смысле, и поведение молекул определяется стенками канала и силами притяжения между ними.

В таких условиях вода теряет привычные свойства. Её электрическое сопротивление может меняться, а температура замерзания — отклоняться от нормы. Учёные уже наблюдали, как вода в нанопорах не замерзает даже при экстремальном охлаждении, или наоборот — превращается в лёд при температурах, близких к комнатным.

Что даёт открытие

Понимание этих процессов важно не только с научной точки зрения. Как отметил Тадокоро, необычное состояние воды может быть использовано в энергетике и материаловедении.

"Создавая новые структуры ледяной сети, можно будет хранить энергетические газы, такие как водород и метан, а также разрабатывать материалы на водной основе, такие как искусственные газовые гидраты", — добавил учёный.

Это открывает путь к созданию эффективных систем хранения энергии, способных удерживать газы в стабильной форме при относительно низких давлениях.

Сравнение фаз воды

Как исследование может повлиять на технологии

1. Хранение водорода. Использование ледяных наноструктур может стать безопасным способом удержания газов без высокого давления.

2. Создание новых материалов. На основе свойств воды в ограниченном пространстве можно проектировать мембраны и сенсоры.

3. Исследование биосистем. Поведение воды в наноканалах похоже на её поведение внутри клеток, что поможет лучше понять биохимические процессы.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что вода ведёт себя одинаково во всех условиях.

• Последствие: неверные расчёты при разработке наноматериалов и биомоделей.

• Альтернатива: учитывать влияние ограниченного пространства и использовать данные ЯМР-спектроскопии для моделирования поведения жидкости.

А что если вода может быть ещё сложнее?

Учёные предполагают, что существует не одна, а несколько скрытых фаз воды, которые проявляются при разных температурах, давлениях и масштабах. Например, уже обсуждается гипотеза о двух типах жидкой воды - с разной плотностью и структурой связей.

Плюсы и минусы нанофаз воды

FAQ

Что такое тяжёлая вода?
Это разновидность воды, где вместо обычного водорода содержится дейтерий. Она безопасна, но имеет немного другие физические характеристики.

Зачем использовать ограниченное пространство?
В нанопорах можно наблюдать уникальные эффекты, которые не проявляются в обычных условиях. Так удаётся увидеть новые состояния вещества.

Можно ли применить открытие в быту?
Пока нет, но со временем это может привести к созданию новых аккумуляторов, холодильных систем или систем очистки воды.

Мифы и правда

Миф: вода всегда состоит только из трёх состояний — твёрдого, жидкого и газообразного.
Правда: на самом деле между ними существуют переходные состояния, такие как предплавление, сверхохлаждённая вода и аморфный лёд.

Миф: поведение воды всегда одинаково.
Правда: в наномасштабе она может демонстрировать совершенно иные свойства — изменять плотность, текучесть и даже температуру замерзания.

Интересные факты

1. Вода может находиться в 17 различных кристаллических формах льда.

2. На Юпитере и Сатурне предполагается существование "горящего льда" — смеси воды и метана.

3. В клетках живых организмов вода часто находится в полупорядоченном состоянии, близком к тому, что наблюдали японские учёные.

Исторический контекст

Изучение воды как особого вещества ведётся с XVIII века. Первые опыты с замораживанием и испарением проводили Лавуазье и Кавендиш. В XX веке появились методы спектроскопии, позволившие заглянуть внутрь молекулярных структур. Сегодня благодаря квантовым симуляциям и нанотехнологиям исследователи приближаются к пониманию того, почему вода — уникальна и, возможно, не имеет аналогов во Вселенной.