Вода в нанотрубке

Вода, заполняющая полость углеродной нанотрубки, переходит в качественно иное состояние уже при комнатной температуре.

Вода – это чудо. При всем пафосе подобного утверждения, его нельзя назвать столь уж большим преувеличением. Вода – ключевой элемент жизни на Земле. Свойства ее удивительны на фоне большинства аналогичных соединений. Достаточно вспомнить такую мелочь, что в твердой форме льда она имеет меньшую плотность, чем в жидко. Это, кстати, позволяет водоемам замерзать с поверхности, оставляя сложным организмам возможность выжить всю зиму под ледяной коркой. Большинство необычных свойств воды связаны со способностью ее молекул образовывать водородные связи, соединяя молекулы в жидкости слабыми, но многочисленными взаимодействиями.

Ну а на днях обнаружилось, что вода – еще более странное соединение, чем можно было подумать. Джордж Рейтер (George Reiter) и его команда показали, что в особых случаях она может переходить в удивительную форму «квантовой воды».

Чтобы разобраться с тем, что это за форма, напомним, что водородная связь образуется между кислородом одной молекулы воды и водородами двух соседних. Электроны, «оттянутые» кислородом у своих атомов водорода, частично притягиваются и водородами соседних молекул. Они могут с некоторой свободой перемещаться между участниками такого взаимодействия. А если найти способ выстроить длинные цепочки связанных водородной связью молекул воды, электроны смогут даже перемещаться по ним на заметные расстояния. Какие же свойства приобретет такая вода?

Пытаясь выяснить это, Рейтер с коллегами заполнили водой крохотное полое пространство внутри углеродной нанотрубки и исследовали ее характеристики, бомбардируя интенсивным пучком нейтронов. Параметры отраженных частиц позволили ученым охарактеризовать поведение протонов в молекулах воды внутри нанотрубок. Оказалось, что даже при той же комнатной температуры поведение это разительно отличается от привычного для воды. «Различия так велики, - говорят авторы работы, - что мы вправе говорить о том, что заключенная в нанотрубках вода переходит в качественно иное “квантовое” состояние», - пишут авторы. Они намерены продолжить исследование свойств воды в этой форме.

Случай с заполненными водой нанотрубками не столь оторван от реальности, как может показаться. На самом деле, они служат отличной моделью того, как все обстоит в ряде живых систем – например, в ионных каналах клеточных мембран. Уже давно показано, что поток, проходящий сквозь эти каналы, на несколько порядков больше, чем позволяет теория – возможно, виной тому именно необычное состояние воды, до сих пор неизвестное.

Рейтер поясняет, что такое состояние должно появляться только в том случае, когда воду окружают нейтральные, не несущие зарядов молекулы – такие, как углерод нанотрубок. Именно то, что большинство экспериментальных установок, в которых ранее проводились подобные измерения, имеют стенки из заряженных молекул, до сих пор «квантовое» состояние воды ни разу не обнаруживалось.

По публикации MIT Technology Review / The Physics arXiv Blog