Физики открыли новые фазы воды

Молекулы воды принимают в стесненных условиях экзотические состояния. Одиночный слой молекул воды уже при комнатной температуре может переходить в «гексатическую» фазу — он не твердый и не жидкий, а молекулы H2O вращаются на месте.

При несколько повышенном давлении эта вода затем становится суперионной, она принимает состояние, которое ранее постулировалось только для планетарных ядер, как сообщают в Nature физики, возглавляемые Венкатом Капилом из Кембриджского университета. С помощью сложных физических моделей и искусственного интеллекта они исследовали, как структура одного слоя воды меняется при различных условиях температуры и давления.

Такие ультратонкие слои воды встречаются, например, в капиллярах и мембранах всех живых существ, они формируют поровую воду в горных породах недр и играют важную роль во многих технических, медицинских и химических приложениях. Однако мало что известно о поведении «стесненной» воды в различных условиях. Ясно лишь то, что молекулы воды находятся под высоким давлением в таких тесных пространствах просто из-за гравитационного притяжения стен.

Команде Капила удалось создать для отдельных слоев воды фазовую диаграмму, показывающую изменения в зависимости от температуры и давления. Их моделирование впервые представляет состояния однослойной воды по методу первых принципов, что основано только на известных закономерностях и тем самым обеспечивает отсутствие фальсификации результатов предположениями и гипотезами. Этот метод считается золотым стандартом для физических расчетов и моделирования.

Удивительно, но при комнатной температуре и давлении от 0,5 до 2 гигапаскалей, характерном для наноразмерных каналов, вода перешла в экзотическое состояние, невиданное ранее. «Вода переходит в состояние, которое не является ни твердым, ни жидким», — объясняют Капил и его коллеги. Атомы молекул воды все еще примерно расположены в виде шестиугольника, но молекулы постоянно вращаются вокруг себя.

Но при температуре около 75 градусов и давлении в четыре гигапаскаля однослойная вода снова изменила свое состояние — стала суперионной. В таком состоянии атомы кислорода остаются локализованными и образуют своеобразную решетку, а протоны водорода свободно мигрируют через нее. Это придает воде повышенную проводимость. Нормальной, не стесненной воде требуется более 420 градусов и около 56 гигапаскалей, чтобы стать суперионной, что соответствует давлению в недрах земли.

В суперионной фазе вода может иметь практическое применение, так как обладает проводимостью, которая в 100–1000 раз выше, чем у обычных аккумуляторных электролитов. Если такое состояние может быть вызвано легким давлением в нанотрубках или между слоями графена, то это поможет создать более мощные батареи.

Источник: scinexx.de