1305
Воду вивчали чи не найретельніше з-поміж усіх речовин, та науковці десятиліттями сперечалися над оманливо простим питанням: що стається з її хімією, коли вода стиснута в простір завширшки лише кілька молекул? Такі крихітні проміжки трапляються всюди — у нанопорах, мембранах, біологічних каналах. Нове дослідження Кембриджського університету дало на це відповідь, тоншу, ніж вважали раніше, і допомогло примирити роки суперечливих результатів. Роботу опублікували в Science Advances.
Одна з визначальних властивостей води — здатність розщеплюватися на дві заряджені частинки: іон гідронію (H3O+) та гідроксид-іон (OH-). Саме цей процес визначає pH — міру кислотності чи лужності розчину — й відіграє центральну роль в усій кислотно-основній хімії, від ферментів у клітинах до реакцій усередині акумуляторів. Науковці хотіли з’ясувати, чи змінює замикання води в простір завширшки мільярдні частки метра те, наскільки легко відбувається це розщеплення.
Щоб дослідити проблему, команда застосувала симуляції на основі машинного навчання, які відтворюють квантовомеханічну точність, але дозволяють охопити значно ширший діапазон умов, ніж традиційні методи. Вивчали воду, замкнену між листами графену та гексагонального нітриду бору (hBN) — обидва матеріали завтовшки в один атом і схожі за структурою, але з дуже різною поверхневою хімією.
Ключовий висновок виявився контрінтуїтивним. «Коли ми порівнювали системи за однакових термодинамічних умов, ефект замикання переважно зникав. Іншими словами, саме лише обмеження простором не змінює реакційної здатності води, — пояснює провідний автор Ксав’єр Адвінкула. — Суперечності в літературі виникали здебільшого тому, що науковці порівнювали системи за різних ефективних тисків чи густини, не усвідомлюючи цього».
Симуляції також виявили дивовижну річ: краплі води, замкнені між цими матеріалами, зазнають надзвичайно високого внутрішнього тиску — кілька гігапаскалів, подібно до глибин Землі, — хоча жодної зовнішньої сили не прикладено. Тиск виникає природно через ван-дер-ваальсове притягання між атомарно тонкими шарами: слабка сила між окремими атомами стає напрочуд потужною на великій площі, стискаючи воду між листами.
Саме ці інтенсивні тиски значно посилюють розщеплення молекул води. Але коли замкнену воду порівняли зі звичайною під тим самим тиском, вони поводилися майже однаково — отже, підвищена реакційність походить передусім від тиску, а не від самого замикання. «Найбільше нас здивувало, наскільки багато уявного «ефекту замикання» можна пояснити термодинамікою», — зазначив професор Ангелос Міхаелідес.
Утім, поверхнева хімія все ж має значення. У краплях, замкнених нітридом бору, гідроксид-іони, що утворювалися по краях, хімічно зв’язувалися з матеріалом, стабілізуючись і полегшуючи розщеплення води; з інертним графеном такого не відбувалося. Ці результати дають новий принцип для інженерії наносередовищ: реакційність води можна налаштовувати, обираючи матеріал, чиї поверхні взаємодіють із продуктами розщеплення, і контролюючи тиск. Це важливо для технологій, що залежать від замкненої води, — водневих паливних елементів, акумуляторів, іоноселективних мембран і каталізу.
