Сэндвич из графена и воды породил новую форму льда

Капля воды, зажатая между двумя пластами графена. Снимок просвечивающего электронного микроскопа. На врезке – увеличенное изображение части кристаллического ледяного листа
(фото Universitat Ulm).

Читайте нас в Telegram

Меджународная группа исследователей, руководили которой специалисты из университета Манчестера, объявила об открытии новой формы льда — "квадратной". В рамках эксперимента химики создали микроскопический сэндвич, зажав каплю воды между двумя пластами графена. Двумерный материал позволил раскрыть новые свойства льда, которые найдут своё применение не только в фундаментальной науке, но и в современных технологиях.

Учёные сообщают, что помимо того, что графен прекрасно проводит электричество и является одним из прочнейших материалов в мире, он также обладает уникальным свойством оказывать огромное давление на молекулы, захваченные между двумя пластами материала.

Эксперименты с графеном и каплями воды показали, что жидкость просачивается между пластами двумерного материала очень быстро (что и указывает на огромное давление, оказываемое этими пластами на воду). Это свойство раскрывает большой потенциал графена к применению в качестве опреснительных мембран для очистки воды.

Ещё в 2012 году Андрей Гейм и его коллеги из Манчестерского университета, которые получили Нобелевскую премию за открытие и изучения графена, проводили эксперименты с графеном и водой в различных агрегатных состояниях.
Тогда учёные обнаружили, что водяной пар может проходить через ламинированные листы оксида графена. Два года спустя исследователи увидели, что и жидкая вода может проходить сквозь графен, хотя двумерный материал задерживает все остальные молекулы.

Компьютерное моделирование показало, что вода формирует слои квадратного льда между графеновыми листами. Нажатие на пласт такого льда с одного конца заставляет двигаться и все остальные молекулы застывшей воды, словно вагоны в скоростном поезде.

Однако Гейм считает, что нельзя на все 100% доверять результатам молекулярно-динамического моделирования, и потому решил провести ещё один эксперимент.

Учёные сбросили один микролитр воды на лист графена, а затем прижали получивший бутерброд сверху ещё одним листом углеродного материала. Весь процесс протекал при комнатной температуре.

По мере увеличения давления вода стала постепенно испаряться, а листы графена приближаться друг к другу до тех пор, пока расстояние между ними не составило один нанометр, а в "сэндвиче" не образовались кармашки с водой.

Просвечивающая электронная микроскопия показала, что в образовавшихся кармашках присутствует "квадратный" лёд.

Поясним, почему получаемая структура называется квадратной. Обычно, когда вода собирается в микроскопические капли всего из восьми молекул, формируется куб. Учёные были крайне удивлены, увидев вместо кубов квадраты.

Как сообщает сайт AlphaGalileo, квадратный лёд решили квалифицировать как новую кристаллическую фазу, помимо 17 других, ранее наблюдавшихся в рамках экспериментов.

Квадратный лёд сильно отличается от обычного по своим характеристикам. В обычной V-образной молекуле воды (H2O) атом кислорода связан с двумя атомами водорода крепкими связями. Связь с атомами водорода в соседних молекулах у атома кислорода оказывается слабой. Если иметь дело со льдом, а не жидкой водой, то можно наблюдать четыре связи атома кислорода (с "родными" и соседними атомами водорода) в тетраэдрической форме — то есть, в форме пирамиды.

Но в слое квадратного льда, все атомы лежат в одной плоскости с прямым углом между каждой кислородно-водородной связью. Образцы, созданные Геймом и его коллегами, содержали один, два или три таких слоя, где атомы кислорода в соседних слоях располагались прямо друг над другом.

Команда химиков подсчитала, что графеновые листы должны оказывать давление, в 10 тысяч раз превышающее атмосферное, чтобы заставить воду вести себя подобным образом. Взаимное притяжение электронных облаков вызывает появление ван-дер-ваальсовых сил, в результате чего меняется и кристаллическая решётка.

В дальнейшем Гейм и его коллеги планируют проверить, формируется ли квадратный лёд в других аллотропных модификациях углерода, таких как углеродные нанотрубки. По словам учёных, их работа поможет в создании более совершенных опреснительных фильтров на основе графена.

О результатах своего исследования манчестерские исследователи сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature.

 

Сегодня