В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Университета Суррея и Технологического университета Граца испытали два ультратонких материала с сотовой структурой — графен и гексагональный нитрид бора (h-BN).
Исследователи обнаружили, что эта тонкая разница полностью меняет взаимодействие воды с поверхностями. Вместо того чтобы прыгать между фиксированными точками, как на графене, отдельные молекулы воды на h-BN движутся плавно, перекатываясь — почти как будто они идут.
Это неожиданное поведение показывает, как даже небольшие вариации в атомной структуре материала могут кардинально изменить движение воды на наноуровне, предлагая учёным новые идеи для разработки поверхностей, контролирующих трение, смачивание и образование льда.
«Мы склонны думать, что вода проста, но на молекулярном уровне она ведёт себя удивительно. Это почти как если бы молекула шла, а не прыгала. Это непрерывное вращательное движение было совершенно неожиданным. Наша работа показывает, что мельчайшие детали поверхности могут изменить движение воды — то, что может помочь нам разработать лучшие покрытия, датчики и устройства», — говорит доктор Марко Сакки, доцент и научный сотрудник Королевского общества в области физической и вычислительной химии, руководитель темы исследований в области устойчивой энергетики и материалов.
Чтобы зафиксировать движение, команда из Граца использовала высокочувствительную технику, называемую гелиевой спиновой эхо-спектроскопией, которая может отслеживать движение отдельных молекул, не нарушая их. Исследователи из Суррея также провели компьютерное моделирование для моделирования того, что происходит на атомном уровне.
Вместе эксперименты и моделирование показали, что вода испытывает меньшее трение на h-BN, особенно когда материал поддерживается никелем, что позволяет молекуле двигаться более свободно. На графене, напротив, лежащий в основе металл усиливает взаимодействие между молекулой и поверхностью, увеличивая трение и делая движение менее плавным.
«Оказалось, что подложка под двумерным материалом имеет решающее значение — она может полностью изменить поведение воды и даже изменить то, что мы ожидали. Если мы сможем настроить движение воды с помощью правильного выбора материала и подложки, мы сможем разработать поверхности, которые контролируют смачивание или препятствуют образованию льда. Эти идеи могут преобразовать технологии, основанные на манипулировании водой на наноуровне — от передовых покрытий и смазочных материалов до мембран для опреснения», — говорит доктор Антон Тамтёгл, старший научный сотрудник Технологического университета Граца и соавтор исследования.
Исследование опубликовано в Nature Communications.