Молекулы воды в кристаллах льда образуют красивые симметричные тетраэдрические структуры. Такая геометрия может сохраняться при очень высоких давлениях, и даже при фазовых превращениях. Это касается «естественных» условий. При размещении воды между какими-либо материалами, поведение воды зависит от взаимодействия атомов с поверхностью этих материалов, и вместо обычно наблюдаемых кристаллов льда могут образоваться совершенно иные структуры.
При заключении воды под высоким давлением между листами графена – слой из атомов углерода, толщиною в один атом, представляющий гексагональную решетку — ее молекулы принимают конфигурацию квадрата. Такие удивительные результаты получили ученые из Германии, Великобритании и Китая.
Опубликованные в журнале Nature результаты исследования смогут поспособствовать пониманию процесса транспорта воды сквозь нанометровые каналы природных и искусственных мембран. Например, поток воды, опосредованный белком аквапорином, проходит сквозь мембраны биологических клеток благодаря балансу гидрофобных и гидрофильных взаимодействий с поверхностью канала. Данные взаимодействия зависят от химических связей между атомами водорода.
С порами графена ситуация иная, в нем поперечное сечение канала квадратное, а не круглое. Кроме того, давление, оказываемое на воду, настолько высоко, что силы водородных связей с поверхностью графена преодолеваются стягивающим ван-дер-Ваальсовым взаимодействием атомов, соединяющим плоскости графена.
Физики университета Ульма Херардо Альгара-Силлер и Осси Лехтинен провели эксперимент, в котором графеновый монослой был сначала осажден на сетку электронного микроскопа. Далее на этот графеновый слой было нанесено небольшое количество воды, и затем — еще один слой графена. Большая часть воды выдавливается из сэндвичевого графена силами ван-дер-Ваальса, остальная же часть остается в ловушке в карманах менее одной миллионной метра в поперечнике.
По словам Уте Кайзера, профессора университета Ульма, который возглавлял германскую сторону исследовательской группы, Херардо Альгара-Силлер и Осси Лехтинен провели эксперимент и обнаружили неизвестную структуру льда, заключенную между слоями графена. И только после обсуждения с коллегами из Манчестера была вынесена идея формирования «квадратного» льда. Детальный структурный и элементный анализ подтвердил эту теорию.
Вклад Манчестера является значительным, в том числе благодаря участию в исследованиях Ирины Григорьевой, которая имеет особый интерес в области транспорта молекул и частиц транспорта сквозь мембраны, полученные из слоистых материалов, таких как графен. Ученые давно пытаются понять структуру и поведение воды, заключенной в узких каналах. До сих пор исследования были возможны только путем компьютерного моделирования, результаты которого редко согласуются друг с другом.
Манчестерский коллега Григорьевой, Андрей Гейм, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 2010 году за свою новаторскую работу о графене, является еще одним соавтором новой статьи в журнале Nature. Гейм и другие ранее предположили, что наблюдение сверхбыстрого потока воды через графеновые нанокапилляры может быть связано с двумерной квадратной структурой льда. Новое исследование, похоже, подтверждает эту гипотезу, несмотря на то, что пока подробности происхождения этой странной структуры остаются загадкой.