Новости химической науки > Вода принимает 'запрещенную' форму

Обычную воду можно считать очень даже умелым химическим оборотнем - до настоящего времени было известно, что вода может принимать, по крайней мере, пятнадцать различных кристаллических форм, две различные разупорядоченные твердые фазы (стеклообразные состояния) и два различных по структуре жидкофазных состояния.

Однако, Валерия Молинеро (Valeria Molinero) с коллегами из Университета Юта уверяет, что у обычной воды в запасе есть еще много 'козырей в рукавах'. Исследователи из группы Молинеро заявляют, что если сжать воду между двумя плоскими поверхностями, расстояние между которыми составляет всего 8,5 Ангстрем - место, достаточное для размещения лишь двух молекулярных слоев, вода переходит в квазикристаллическое состояние, характеризующееся 'запрещенной' двенадцатилучевой симметрией.

Молекулы воды, связанные водородными связями (слева) и результаты компьютерного моделирования квазикристаллических пленок воды (справа). [Рисунок из J. Chem. Phys., 2010, 133, 154516 (DOI:10.1063/1.3499323)]

Хотя предположения о том, что вода может принимать такую форму в твердой фазе, до настоящего времени не существовало экспериментальных подтверждений существования такой формы воды. Более того, ранее обнаруженные квазикристаллические формы воды представляли собой смесь двух или более описанных ранее кристаллических форм, что делает открытие Молинеро первым примером однородного квазикристалла воды.

Впервые квазикристаллы были обнаружены в 1984 году при изучении сплава алюминия с магнием состава Al₆Mg. Как и обычные кристаллические материалы квазикристаллы дают четкую картинку дифракции рентгеновских лучей, однако их симметрия - пяти-, десяти - и двенадцатилучевая не может быть следствием регулярного расположения элементов кристаллической решетки. Квазикристаллы представляют собой одну из форм организации структуры твердых тел (наряду с кристаллами и аморфными телами), они характеризуются осью симметрии, запрещенной в классической кристаллографии и наличием дальнего порядка.

С обнаружения квазикристаллов исследователи предполагали, что среди твердых фаз воды могут встречаться и квазикристаллические - система водородных связей воды может способствовать образованию пятичленных циклов, объединяющих молекулы.

Первоначально в группе Молинеро было проведено компьютерное исследование поведения воды, находящейся между двумя пластинками при давлении около 5000 атмосфер - такое давление способствует образованию пятиугольных циклов, а не шестиугольных, как в обычном льду, так как пятиугольники более компактны. Исследователи обнаружили одну фазу, состоящую из пятиугольников, расположенных друг относительно друга в соответствии с четырехлучевой симметрией и фазу, состоящую из пяти- и шестиугольников с двенадцатилучевой симметрией.

Хидеки Танака (Hideki Tanaka) из Университета Окаяма, эксперт в области кристаллической структуры воды и льда, отмечает, что хотя результаты работы Молинеро представляют собой значительный интерес, он не уверен, что условия, для которых проводился расчет, можно воспроизвести экспериментально.

Молинеро соглашается с тем, что давление, для которых была выполнена компьютерная симуляция, сложно создать в лаборатории, однако добавляет, что квазикристаллическое состояние воды может быть стабилизировано не только за счет давления, но и за счет изменения прочности взаимодействия воды с поверхностью, поэтому есть принципиальная возможность получить квазикристаллы воды за счет образования пленки воды на поверхности определенного типа. Сама Молинеро расценивает такую возможность как 'Святой Грааль', добавляя, что потребуется либо значительное время, либо просто удача для того, чтобы предсказать, какой тип поверхности и какая температура может понадобиться для получения квазикристаллической воды экспериментально.

Источник: J. Chem. Phys., 2010, 133, 154516 (DOI:10.1063/1.3499323)

метки статьи: #квантовая химия, #физическая химия, #химия поверхности