Японские ученые обнаружили странное состояние воды: одновременно твердое и жидкое
Исследователи из Токийского университета наук сделали поистине захватывающее открытие: вода может существовать в состоянии, которое одновременно сочетает свойства твердого тела и жидкости. Это явление, известное как состояние предплавления, до сих пор было предметом теоретических моделей, но теперь его существование подтверждено экспериментально.
На привычном нам макроуровне различие между льдом и жидкой водой очевидно: в твердом состоянии молекулы воды зафиксированы в жесткой кристаллической решетке, а в жидком — свободно движутся, постоянно формируя и разрывая водородные связи. Однако в эксперименте японских ученых было показано, что в состоянии предплавления молекулы занимают фиксированные позиции, как в кристалле, но при этом вращаются и колеблются, как жидкость.
Как работает состояние предплавления
Как поясняет химик Макото Тадокоро, это явление связано с неполным разрушением водородных связей в процессе нагрева: не полностью связанные молекулы воды начинают двигаться до того, как лед полностью тает. По сути, получается уникальная фаза воды, где замерзшие слои молекул соседствуют с медленно движущимися частицами — своего рода гибрид твердого и жидкого состояний.
Для наблюдения этого явления потребовалась сложная экспериментальная установка. Ученые использовали тяжелую воду, в которой атомы водорода заменены на дейтерий, и поместили ее в сверхузкие гидрофильные каналы шириной всего 1,6 нанометра внутри стержнеобразных кристаллов. После заморозки вода постепенно нагревалась, а динамику молекул изучали с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах дейтерия.
Результаты показали, что вода в таких условиях формирует трехслойную иерархическую структуру, где каждый слой демонстрирует уникальный тип движения и взаимодействия молекул.
Предплавление на макро- и наноуровне
Наиболее знакомый пример состояния предплавления — это тонкая пленка воды на поверхности льда, которая существует даже при отрицательных температурах. Однако в условиях наномасштаба вода проявляет ещё более необычные свойства:
Изменение электрических характеристик.
Возможность оставаться жидкой при экстремально низких температурах (близких к абсолютному нулю).
Способность замерзать при температурах, при которых вода обычно кипит.
Эти эффекты открывают новые возможности для науки и технологий. Как отмечает Тадокоро, создание ледяных сетчатых структур может помочь хранить энергоемкие газы, такие как водород и метан, а также разрабатывать новые водные материалы, включая искусственные газовые гидраты.
Значение открытия
Открытие состояния предплавления — это не только вклад в фундаментальную химию, но и шаг к практическим инновациям в энергетике и материаловедении. Вода на наноуровне продолжает удивлять ученых своими необычными свойствами, и понимание этих процессов может стать ключом к созданию новых технологий хранения энергии и разработки «умных» водных материалов.
Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society, а его выводы уже обсуждаются в научном сообществе как одно из самых интересных открытий последних лет в области химии воды.
Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что объединили литий с нефтяными углеводородами – прорыв российских ученых
