Андрей Гейм и Константин Новоселов выяснили, как сделать воду «мертвой» и лишить ее уникальных растворяющих свойств, экспериментируя с тончайшими «сэндвичами» из графита и нитрида бора, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
«Мертвая вода» — не просто интересный научный феномен, ее открытие имеет вполне конкретные приложения для других наук, особенно для биологии. Она поможет нам понять, почему вода так важна для существования жизни. Учитывая то, какую роль вода играет в формировании молекул белков, можно сказать, что тонкие прослойки воды — скульпторы жизни в прямом и переносном смысле, — рассказывает Андрей Гейм из Манчестерского университета (Великобритания).
Вода, как объясняют ученые, сегодня остается одной из самых загадочных субстанций на Земле. В отличие от «соседей» по периодической таблице, соединение водорода с кислородом обладает аномально высокой температурой кипения и замерзания, необычной теплоемкостью и способностью растворять в себе огромное число органических и неорганических соединений.
Это «умение» воды, в свою очередь, связано с другим ее физическим свойством — высоким электрическим дипольным моментом. Под этим словом ученые понимают то, как распределены положительные и отрицательные заряды по молекуле. Молекулы воды обладают очень высоким дипольным моментом, так как электроны в ней «притянуты» к атому кислорода, а положительно заряженные атомы водорода, наоборот, удалены от них.
Ученых давно интересовало, сохраняет ли она эти свойства в тех случаях, когда молекулы воды уложены в считанное число слоев, или они меняются на что-то совсем другое.
Гейм, Новоселов и их коллеги по университету решили эту задачу, экспериментируя с своеобразными «бутербродами», собранными из сверхтонких пластинок графита и двумерных пленок из нитрида бора, устроенных примерно так же, как и графен, за чье открытие российско-британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Используя лист графита в качестве «фундамента», ученые уложили пленки из нитрида бора поверх него таким образом, что у них получился своеобразный «домик» с множеством отдельных «комнат» шириной и высотой в несколько десятков нанометров. Благодаря этому, в подобные щели могло попасть очень небольшое число молекул воды, что позволило Гейму и его команде очень точно измерить их диэлектрические и прочие физические свойства.
Для этого ученые подводили иглу сверхчувствительного атомно-силового микроскопа к каждой подобной «комнате» и наблюдали за тем, как хорошо электрическое поле проникало через «сэнвич» из плоских полупроводниковых материалов и воды, меняя высоту и ширину всей этой конструкции.
Как показали эти наблюдения, свойства жидкости резко менялись в том случае, если толщина ее слоя приближалась к отметке в два нанометра. В таком случае вода становилась «мертвой» и теряла свои удивительные диэлектрические свойства и переставала быть универсальным растворителем.
«Мы знали, что свойства тонких прослоек воды будут сильно отличаться от того, как себя ведет “нормальная” жидкость, но не знали, как именно. Нас сильно удивило то, что они действительно отличались, но не в ту сторону, в которую мы ожидали — небольшие количества воды имели крайне низкую, а не высокую степень поляризации», — добавляет Лаура Фумагалли (Laura Fumagalli), коллега Гейма.
Подобное открытие, как отмечает российско-британский физик, очень важно в контексте изучения эволюции жизни и поисков собратьев по разуму, так как тонкие пленки из воды могли играть важную роль в эволюции первых сложных химических молекул, в том числе ДНК, и в жизни первых обитателей Земли.
Нановода
