Учёные выяснили, что при толщине всего в одну молекулу водородные связи перестраиваются, превращая обычную жидкость в мозаичную структуру из отдельных кластеров
Исследователи впервые получили возможность изучить поведение воды, когда её пространство ограничено толщиной всего в один молекулярный слой. Группа учёных из Манчестерского университета, Национального графенового института (NGI), Свободного университета Берлина и специалистов комплекса Diamond Light Source доказала, что в таких условиях вода кардинально меняет свои свойства, переставая быть просто «уменьшенной версией» привычной жидкости.
В обычной среде молекулы воды постоянно создают и разрывают связи с соседями во всех направлениях, поддерживая динамическую трёхмерную сеть. В условиях экстремального сжатия эта геометрия нарушается, однако до недавнего времени экспериментальное подтверждение этих процессов было невозможно из-за крайне малого объема вещества.
Для проведения эксперимента команда профессора Радхи Бойи создала каналы высотой в несколько ангстремов. В качестве «стенок» были использованы двумерные материалы — графит и гексагональный нитрид бора. Они не только обеспечили идеальную гладкость поверхности, но и позволили усилить слабый сигнал воды для последующего анализа.
С помощью инфракрасной микроспектроскопии на линии MIRIAM B22 (Diamond Light Source) учёные отслеживали колебания химических связей, в частности растяжение связей между атомами водорода и кислорода. Сравнение воды в каналах разной ширины позволило четко зафиксировать момент перехода от трёхмерного состояния к истинному двумерному.
Выяснилось, что в однослойном состоянии спектр поглощения воды смещается в сторону более высоких частот. Вместо единой сети формируется «мозаичная» структура: молекулы собираются в небольшие кластеры, окруженные слабо связанными или почти свободными элементами. При увеличении зазора до 1 нанометра (примерно три молекулярных слоя) свойства воды постепенно возвращаются к привычным показателям.
Компьютерное моделирование на атомном уровне полностью подтвердило результаты экспериментов. Оказалось, что «двумерная вода» отличается высокой плотностью и уникальным поведением, которое нехарактерно для жидкости на макроуровне или даже для тонких плёнок на поверхности материалов.
Эти фундаментальные открытия имеют прикладное значение для развития нанофлюидных технологий, создания селективных мембран, электрохимических устройств и новых энергетических систем. Понимание поведения воды на молекулярном уровне критически важно для медицины и биологии, где подобные процессы происходят внутри живых клеток и каналов белков.
