Учёные из Токийского университета зафиксировали редкое и ранее недостижимое состояние воды — фазу, в которой она ведёт себя одновременно как лёд и как жидкость. Это открытие меняет представления о свойствах одного из самых привычных веществ на Земле и даёт ключ к пониманию процессов, происходящих в биологических системах и наноматериалах.
Вода — одна из самых изученных субстанций, но при этом остаётся загадочной. Когда её помещают в наномасштабное пространство, например, в поры минералов, белков или наноматериалов, она начинает вести себя не так, как в привычном жидком или твёрдом виде.
"Поведение воды в ограниченном объёме остаётся одной из самых сложных тем в физической химии", — отмечает профессор Макото Тадокоро, руководитель исследования.
Одно из самых загадочных состояний воды — состояние предплавления, когда молекулы уже начинают "таять", но ещё сохраняют структуру льда. Это промежуточная фаза между кристаллическим и жидким состоянием, наблюдать которую до сих пор мешала низкая чувствительность приборов.
Чтобы рассмотреть воду в этом необычном состоянии, исследователи использовали дейтериевую ядерно-магнитно-резонансную (ЯМР) спектроскопию, способную фиксировать движения атомов водорода в пикосекундном масштабе.
Для эксперимента они создали гексагональные кристаллы с нанопорами диаметром 1,6 нм, заполнили их тяжёлой водой (D₂O) и провели измерения при комнатной температуре.
Результаты показали, что внутри нанопор молекулы воды выстраиваются в трёхслойную структуру, связанную водородными связями. Один слой оставался почти неподвижным — как в льду, а другой демонстрировал медленное вращательное движение, типичное для жидкой воды.
Так учёные впервые зафиксировали состояние, в котором вода существует как лёд и жидкость одновременно.
| Свойство | Лёд (твёрдое состояние) | Жидкая вода | Состояние предплавления |
|---|---|---|---|
| Подвижность молекул | Минимальная | Высокая | Средняя |
| Тип водородных связей | Жёсткие, стабильные | Подвижные | Частично нарушенные |
| Энергия активации | Высокая | Средняя | Низкая, близкая к воде |
| Форма структуры | Кристаллическая | Беспорядочная | Смешанная, искажённая |
В обычных условиях вода при плавлении теряет свою кристаллическую решётку, и молекулы начинают свободно перемещаться. В состоянии предплавления, зафиксированном командой профессора Тадокоро, структура льда частично сохраняется, но при этом отдельные молекулы вращаются и колеблются, как в жидкости.
Это объясняет, почему энергия активности воды в таком состоянии ниже, чем у обычного льда, но схожа с энергией жидкой воды.
Такая вода встречается в порах минералов, в белках живых организмов и на границах льда — везде, где пространство ограничено. Понимание её поведения поможет в:
биофизике, для объяснения того, как вода проникает через клеточные мембраны;
разработке новых материалов, например, систем хранения водорода и метана;
медицине, при создании лекарств, где важна молекулярная структура воды;
криобиологии, для управления процессами замерзания и сохранения тканей.
"Мы наблюдаем, как молекулы воды начинают плавиться, но при этом часть водородных связей остаётся замороженной. Это совершенно новый механизм перехода между фазами", — подчёркивает профессор Тадокоро.
Создание нанопор в кристалле, способных удерживать молекулы воды.
Заполнение тяжёлой водой (D₂O) для точных измерений.
Применение ЯМР-спектроскопии для фиксации движений атомов.
Регистрация энергетических параметров — скорости вращения и обмена связями.
Сравнение с теоретическими моделями поведения жидкостей.
Ошибка: считать, что вода ведёт себя одинаково везде.
Последствие: неверные модели биологических и геофизических процессов.
Альтернатива: учитывать влияние ограниченного пространства и структуры поверхности.
Ошибка: использовать только макроскопические методы наблюдения.
Последствие: упускаются быстрые микродвижения молекул.
Альтернатива: применять ЯМР и фемтосекундные лазерные методы.
Ошибка: игнорировать роль водородных связей.
Последствие: упрощённые объяснения фазовых переходов.
Альтернатива: исследовать динамику связей на атомном уровне.
Что такое состояние предплавления?
Это переходная фаза, когда лёд начинает таять, но часть молекул остаётся связанной в кристаллическую решётку.
Почему использовалась тяжёлая вода (D₂O)?
Она стабильнее при измерениях и даёт более чёткие данные в ЯМР-спектроскопии.
Может ли вода в таком состоянии существовать в природе?
Да, например, внутри ледяных пород, в порах минералов или в белковых структурах.
Миф: лёд и вода не могут существовать одновременно.
Правда: при определённых условиях возможно промежуточное состояние — предплавление.
Миф: вода ведёт себя одинаково при любых размерах.
Правда: в нанопорах молекулы проявляют уникальные свойства.
Миф: свойства воды полностью изучены.
Правда: новые методы наблюдения постоянно открывают неожиданные фазы.
1970-е годы: первые гипотезы о состоянии предплавления.
2000-е: развитие нанотехнологий позволило создавать стабильные нанопоры.
2025 год: физики из Токийского университета впервые зафиксировали "двойственную воду".
Вода в нанопорах формирует трёхслойную структуру, соединённую водородными связями.
В состоянии предплавления молекулы частично заморожены, но вращаются, как в жидкости.
Энергия активации ниже, чем у льда, но близка к энергии жидкой воды.
Открытие японских физиков показало, что даже самое привычное вещество на Земле способно удивлять. Между льдом и жидкостью скрывается новая форма воды — живое доказательство того, что природа гораздо сложнее, чем кажется под микроскопом.