Исследователи из Манчестерского университета совершили неожиданное открытие, касающееся одного из самых привычных нам веществ — воды. Когда вода ограничена пространствами толщиной в несколько атомов, она превращается во что-то совершенно незнакомое, демонстрируя свойства, более характерные для передовых материалов, таких как сегнетоэлектрики и суперионные жидкости.
Это удивительное открытие противоречит тому, что учёные знали о сильно ограниченной воде ранее. Предыдущие исследования показали, что ограниченная вода теряет способность реагировать на электрическое поле, становясь «электрически мёртвой» при измерении в направлении, перпендикулярном поверхностям. Новое исследование выявляет прямо противоположное в параллельном направлении — электрическая реакция воды резко возрастает на порядок.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature под руководством доктора Лауры Фумагалли в сотрудничестве с профессором Андре Геймом, использовался передовой метод, называемый сканирующей диэлектрической микроскопией, чтобы проникнуть в электрические секреты воды на истинном наноуровне. Они поместили воду в каналы настолько узкие, что в них было всего несколько молекулярных слоёв.
Результаты поразительны: объёмная вода имеет диэлектрическую проницаемость около 80, но при утончении до 1–2 нанометров её диэлектрическая проницаемость в плоскости достигает значений, близких к 1000, что сопоставимо с сегнетоэлектриками, используемыми в передовой электронике. В то же время проводимость воды возрастает до значений, приближающихся к проводимости суперионных жидкостей — материалов, считающихся весьма перспективными для батарей нового поколения.
«Представьте себе, что у воды есть раздвоение личности», — объясняет доктор Фумагалли. «В одном направлении она электрически мертва, но посмотрите на неё в профиль, и внезапно она становится электрически сверхактивной. Никто не ожидал такого драматического поведения».
Для этого открытия команде потребовалось разработать сверхчувствительные методы измерения, способные исследовать слои воды, намного тоньше оболочки вируса, и отслеживать их электрический отклик в диапазоне частот от килогерц до гигагерц — охватывая шесть порядков величины.
Исследование также показывает, что ограниченная вода существует в двух различных электрических режимах. Для каналов размером более нескольких нанометров вода ведёт себя как в объёмной форме, хотя и с гораздо более высокой проводимостью. Но при сжатии до атомных размеров она резко переходит в новое «суперионное» состояние.
Эта трансформация происходит потому, что экстремальное ограничение нарушает водородную связь в воде, которая в объёмной форме является динамической, но достаточно упорядоченной структурой. В молекулярном масштабе эта сеть становится неупорядоченной, что позволяет диполям легче выравниваться с электрическими полями и обеспечивает быстрый перенос протонов.
«Так же, как графен открыл неожиданную физику, когда графит был утончён до одного атомного слоя, это исследование показывает, что даже вода — наиболее изученная жидкость на Земле — может удивить нас, когда её сжимают до абсолютного минимума», — отмечает профессор Гейм, который ранее получил Нобелевскую премию за исследования графена.
Последствия выходят далеко за рамки фундаментальной науки. Понимание электрических свойств воды на наноуровне имеет решающее значение не только для физики и химии, но и для технологий, начиная от передовых батарей и микрогидродинамики и заканчивая наноэлектроникой и биологией.
«Наше исследование меняет то, как мы должны думать о воде», — добавляет доктор Фумагалли. «Самое обычное вещество на Земле обладает экстраординарными способностями, которые были скрыты до сих пор».