Багато хто пам’ятає зі шкільних уроків хімії, що вода на рівні моря замерзає при нулі градусів Цельсія, а закипає при ста градусах. Також багато хто пам’ятає, що практично в кожному правилі є винятки.
Таке виключення виявили дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT), з’ясувавши, що вода, укладена всередині крихітних порожнин вуглецевих нанотрубок, веде себе незвичайним чином. Вона може повністю замерзнути при температурах, що перевищують температуру кипіння, тобто вище 100 градусів за Цельсієм.
Таке відкриття можна буде застосувати при створенні протонопроводящих «крижаних проводів», вважають фахівці.
Вище ми уточнили, що позначки нуль і сто градусів вірні для рівня моря, але в горах, наприклад, ситуація змінюється.Все тому, що одна лише температура не є єдиним чинником, що визначає те, коли вода (і будь-яка інша речовина) почне перетворюватися з твердого стану в рідке і газоподібне. Тиск також відіграє велику роль, а на висоті тиск атмосфери нижче, у результаті вода в горах кипить при більш низьких температурах.
Також відомо, що вода веде себе досить дивно, коли вона перебуває в тісному просторі. Так, вчені з Національної лабораторії Оук-Рідж в США раніше виявили, що вода має незвичайний стан, коли вона знаходиться під сильним тиском в крихітних просторах.
Виявилося, що молекули води в шестикутних надмалих каналах в мінералі берил демонструють квантовий ефект тунелювання. Такий стан води ніколи раніше не спостерігалося вченими і не відповідало якимось типовим станів цієї речовини.
До речі, дослідження 1990-х років також показали, що вода може мимоволі випаровуватися, коли вона щільно оточена гідрофобними матеріалами. Таке явище вчені спостерігали, коли випадково створили наностержень, який збирав воду з повітря.
«Якщо ви уклали рідина в нанополости, то ви зможете фактично змінити її фазовий поведінку. І отриманий ефект буде набагато більшим, ніж очікувалося», — говорить провідний автор дослідження Майкл Страно (Michael Strano).
Дослідники, звичайно, очікували побачити зміни в температурі, при якій вода кипить і замерзає, але результати їх по-справжньому здивували — температура замерзання підвищувалася, а не знижувалася. В одному експерименті вода ставала твердою в нанотрубке при температурах між 105 і 151 градусів Цельсія.
Частково результати дослідження застали вчених зненацька з тієї причини, що раніше моделювання показало, що результат буде зовсім іншим. Можливо, невірні висновки вийшли з-за неточних вимірювань, які досить важко провести за таких крихітних масштабах, з якими працювали фахівці.
У результаті вчені виявили, що зміна діаметра нанотрубки всього на 0,01 нанометра може змінити точку замерзання води на кілька десятків градусів.
Дослідники MIT поміщали воду в нанотрубку через обидва кінці, які залишалися відкритими. При цьому, як саме вода потрапляла всередину, до цих пір залишається загадкою, враховуючи той факт, що зазвичай нанотрубки відштовхують воду.
З допомогою коливальної спектроскопії вчені змогли відслідковувати не тільки рух води в нанотрубке, але і її фазовий стан — тверде, рідке або газообраное.
І хоча вода безумовно переходила в тверду фазу, дослідники не хочуть називати це стан словом «лід», оскільки цей термін передбачає певного роду кристалічну структуру (і, раз вже на те пішло, різновидів фаз льоду існує більше десятка). Таким чином, те, що в нанотрубках вода перетворюється саме в лід, ще тільки належить довести. «Це необов’язково саме лід, але речовина знаходиться у фазі подібної льоду», — говорить Страно.
Як би те ні було, на думку дослідників, саме таке дивне стан речовини залишається стабільним при кімнатній температурі, то можна розробити тип «крижаних проводів», які проводять протони в десять разів краще, ніж існуючі матеріали. Але в цьому напрямку належить ще виконати масу роботи, щоб досягти практичного результату.
Дослідження про незвичайному стані води опубліковано в журналі Nature Nanotechnology.
