Вода в нанопространстве: Поверхности, а не ограничение, управляют её свойствами до самых тонких пределов

Визуализация ограниченной воды: Иллюстрация показывает слой молекул воды (посередине), зажатый между атомной решеткой фторида кальция (CaF₂, сверху) и графеновым листом (снизу). Автор: Общество Макса Планка

Исследователи из Института полимерных исследований Общества Макса Планка перевернули представления о поведении воды, сжатой в пространствах атомного масштаба. Применив спектроскопические методы вместе с техникой машинного обучения для моделирования воды, ограниченной пространством толщиной всего в несколько молекул, команда под руководством Миши Бонна обнаружила, что структура воды остается удивительно «нормальной» даже при толщине менее нанометра — гораздо тоньше, чем считалось ранее.

Исследование под названием «Интерфейсы управляют структурой водных растворов, ограниченных в ангстремном масштабе» было опубликовано в журнале Nature Communications.

Изучение структуры слоя воды толщиной всего в несколько молекул — сложная научная задача. Команда создала нанокапиллярное устройство, зажав воду между однослойным графеном и подложкой из фторида кальция (CaF₂). Затем они использовали передовую вибрационную спектроскопию, способную обнаруживать микроскопическую структуру ограниченной воды, включая ориентацию и водородные связи молекул, чтобы «увидеть» эти неуловимые слои.

Учёные обнаружили, что даже при толщине воды всего в три молекулярных слоя — пространстве, едва превышающем размер самих молекул — свойства воды в центре оставались похожими на обычную объёмную воду, контактирующую с двумя поверхностями. Интерфейсные эффекты, определяемые графеновым листом и подложкой CaF₂, полностью диктовали расположение и поведение молекул.

Только при уменьшении до действительно ангстремных масштабов, когда вода становилась тоньше двух слоёв, само ограничение начинало доминировать и перестраивать жидкость на структурном уровне. Предсказания моделирования на основе машинного обучения подтвердили предположения, использованные в спектроскопических измерениях, точно воспроизвели наблюдения и подтвердили выводы.

«Это исследование меняет наше представление об ограниченной воде, — объяснил ведущий автор работы Юнкан Ван. — Наши выводы актуальны для большинства практических сценариев, таких как вода в наноканалах, мембранах или между слоистыми материалами, где именно поверхности определяют её свойства, а не само пространственное ограничение, за исключением случаев, когда толщина приближается к молекулярной».

Широкие последствия для технологий, биологии и материаловедения

Эти выводы имеют большое значение для множества областей — от нанофлюидики и геологии до биологии и передовых материалов. Результаты показывают, что большая часть наноограниченной воды на Земле или в технологических устройствах — например, в мембранах, нанофлюидных схемах или биологических порах — остаётся под влиянием интерфейсных явлений даже при экстремальном ограничении. Только для слоёв воды тоньше нанометра правила действительно меняются.

«Наши результаты устанавливают новый ориентир, — сказал соавтор исследования Юки Нагата. — Если вы работаете с так называемой "наноограниченной водой", именно химия поверхности, а не только геометрия, определяет её свойства, если только ограничение не доведено до предела».

Возможность исследовать и понимать поведение всего нескольких слоёв молекул воды — области наибольшей научной и технологической загадки — знаменует значительный прогресс в этой области. Эта работа не только разрешает ключевые теоретические споры, но и указывает путь к проектированию будущих наноустройств, материалов и, возможно, даже методов управления свойствами воды с беспрецедентной точностью.

Больше информации: Yongkang Wang et al, Interfaces govern the structure of angstrom-scale confined water solutions, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62625-w

Источник: Общество Макса Планка