Кристаллы льда образуют красиво симметричные тетраэдрические формы, которые можно увидеть на снежинках и на поверхности замерзших водоемов. Такая геометрия может сохраняться при очень высоких давлениях, даже если нижележащая структура претерпевает фазовые изменения, как тонкие, так и драматические при изменении давления.
Это, безусловно, относится к безграничной воде. Однако, будучи заключенной между другими материалами, на поведение воды влияют атомные взаимодействия с поверхностями материала.
Затем более обычные кристаллы льда могут превратиться во что-то совершенно иное.Когда вода находится под высоким давлением между листами графена — расположением атомов углерода толщиной в один атом в гексагональной решетке — ее молекулы принимают квадратную форму.
Это неожиданное открытие исследователей из Германии, Великобритании и Китая.Опубликованные в журнале Nature результаты исследования, частично финансируемого Graphene Flagship, могут улучшить наше понимание переноса воды через каналы нанометрового размера в естественных и искусственных мембранах. Например, опосредованный белком аквапорин поток воды через мембраны биологических клеток сводится к балансу между гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями с поверхностями каналов.
Такие взаимодействия зависят от химических связей между атомами водорода.С «порами» графена ситуация иная, поскольку поперечное сечение является плоским, а не круглым. Кроме того, давление, оказываемое на воду, настолько велико, что взаимодействия водородных связей с поверхностью графена преодолеваются притягивающим ван-дер-ваальсовым взаимодействием атомов, которое сближает плоскости графена.
Тем не менее, сравнение уместно и должно добавить к научным дебатам о потоке воды через наноразмерные каналы и через мембраны.Физики Ульмского университета Херардо Альгара-Силлер и Осси Лехтинен провели последний эксперимент, в котором монослой графена был впервые нанесен на сетку электронного микроскопа. Затем этот слой графена подвергали воздействию небольшого количества воды и покрывали другим слоем графена.
Большая часть воды была выдавлена из графенового сэндвича силой Ван-дер-Ваальса; остальные оказались в карманах диаметром менее одной миллионной метра.«Херардо Альгара-Силлер и Осси Лехтинен провели эксперимент и изобразили неизвестную структуру льда между листами графена», — сказал профессор Ульмского университета Уте Кайзер, возглавлявший немецкую сторону сотрудничества. «Сначала мы не знали, что мы видим, и только в ходе обсуждения с нашими коллегами из Манчестера родилась идея квадратного льда. Подробный структурный и элементный анализ затем подтвердил, что эта структура реальна».Связь с Манчестером важна, не в последнюю очередь благодаря участию в исследовании Ирины Григорьевой, которая особенно интересуется переносом молекул и частиц через мембраны, образованные из слоистых материалов, таких как графен.
Ученые давно пытались понять структуру и поведение воды, заключенной в узкие каналы. До сих пор исследование было возможно только с помощью компьютерного моделирования, результаты которого редко согласуются друг с другом.Коллега Григорьевой из Манчестера Андре Гейм, получивший Нобелевскую премию по физике 2010 года за свою новаторскую работу по графену, является еще одним соавтором новой статьи в Nature. Гейм и другие ранее предполагали, что наблюдения сверхбыстрого потока воды через графеновые нанокапилляры могут быть связаны с двумерным квадратным льдом.
Новое исследование, похоже, подтверждает гипотезу, даже если подробное происхождение этой странной структуры остается загадкой.