Самая распространенная жидкость на Земле вновь удивила ученых
Вода при экстремальных воздействиях раскрывает уникальные свойства. Когда исследователи из Манчестерского университета сжали воду в ультратонкие каналы внутри кристаллов, она стала проводить электрический ток в 100 000 раз эффективнее, чем обычная вода. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Это открытие имеет важное значение, так как многие природные процессы происходят на границе воды и твердых поверхностей, а не в толще жидкости. Понимание того, как вода ведет себя в таких условиях, может кардинально изменить представление о химических процессах внутри клеток и материалов.
Молекулы воды в обычных условиях связаны водородными связями, образующими сеть, которая помогает воде растворять соли, стабилизировать белки и проводить электрический ток. Исследование, возглавленное физиком Лаурой Фумагалли из Манчестерского университета, сосредоточилось на том, как вода ведет себя между материалами толщиной в атом или несколько. Последние похожи на важные для жизни и здоровья клеточные мембраны и белки. Слои воды там играют ключевую роль в химических реакциях, происходящих в клетках, и их поведение может значительно влиять на биологические процессы.
Изменения проводимости
В ходе исследования были использованы наноканалы — узкие прямоугольные тоннели, высотой всего 0,00000008 дюйма, между слоями графита и нитрида бора, в которые была втянута вода. Для изучения этих слоев ученые применили метод сканирующей диэлектрической микроскопии, который позволяет точно измерять локальную электрическую активность.
Исследования показали, что при сжатии воды в эти узкие каналы, ее диэлектрическая постоянная возрастала до 1000, а проводимость достигала значений, сопоставимых с протонными проводниками.
По мере сужения зазора между слоями вода становилась более проводящей, а ее водородные связи внутри слоев становились хаотичными, что способствовало ускорению движения протонов. Этот процесс, известный как механизм Гроттуса, позволяет протоны перескакивать между молекулами воды по принципу эстафеты.
Эти исследования могут значительно повлиять на развитие технологий создания более эффективных мембран и энергетических устройств. Например, таких как протонно-обменные мембраны для топливных элементов, которые позволяют протонам проходить между электродами, но блокируют электроны.
