Ученые обнаружили уникальную форму льда, формирующегося в присутствии графена даже при комнатной температуре - «Наука и технологии»

Мы все очень хорошо знакомы с различными формами воды, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Это жидкая вода, которую мы набираем в стакан из крана, лед, который находится в морозильной камере холодильника, и пар, бьющий из носика стоящего на плите чайника. Поведение воды во всех этих формах уже давно известно и предсказуемо, однако, ученые обнаружили еще одну неизвестную до этого форму воды, лед, имеющий уникальную кристаллическую решетку, который сформировался в присутствии графена даже при комнатной температуре.

Влияние на поведение воды оказали некоторые из свойств нанокапиляров, коими являются шестигранные отверстия в кристаллической решетке графена. Проводя эксперименты, ученые нанесли монослой графена на сетчатое основание, добавили поверх него небольшое количество воды и накрыли все это еще одним слоем графена. После этого получившийся водно-графеновый "бутерброд" был оставлен на продолжительное время для того, чтобы избыток воды мог испариться, оставив между слоями графена очень тонкий равномерный слой воды. И эта вода, которая осталась "зажатой" между слоями графена, продемонстрировала некоторые необычные структурные свойства.

Структурные особенности каждого агрегатного состояния воды определяются силой влияния атомов водорода, которые сцепляют смежные молекулы, формируя пространственные структуры. Даже в жидкой воде ученым доводилось наблюдать подобные образования из молекул, а в кристаллическом состоянии, в состоянии льда, молекулы воды формируют единую упорядоченную структуру, подобную кристаллическим решеткам твердых веществ. Как правило, в состоянии льда молекулы воды формируют трехмерную четырехгранную решетку, ячейка которой похожа на квадратную пирамиду.

Однако, наличие слоев графена вынудило молекулы воды сформировать уникальную кристаллическую решетку при комнатной температуре. Молекулы воды сформировали слои решетки с квадратными ячейками, в которых каждая молекула взаимодействует с четырьмя окружающими ее молекулами. В такой решетке сформировавшиеся водородные связи между молекулами расположены под углом 90 градусов друг к другу, в то время, как в решетке обычного льда водородные связи располагаются под углом в 109 градусов. Кроме этого, исследователи выяснили, что структура кристаллической решетки необычного льда остается неизменной при изменении некоторых параметров окружающей среды, таких, как ширина капилляров, давлении и жесткость графеновых пленок.

Ученые полагают, что уникальная квадратная структура кристаллической решетки новой формы льда формируется за счет слабых сил взаимодействия молекул воды с поверхностью графена. Ведь известно, что графен сам по себе обладает сильными гидрофобными качествами, отталкивая от своей поверхности молекулы воды. И в скором времени исследователи планируют использовать полученные ими знания и данные для объяснения необычного поведения воды в некоторых условиях, такого, как движение с быстрой скоростью по нанокапиллярам в некоторых гидрофобных материалах.