Вода на наноуровне проявляет сверхспособности

Широкополосное диэлектрическое изображение наноограниченной воды. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09558-y

Исследователи из Манчестерского университета сделали неожиданное открытие об одном из самых знакомых веществ в мире — воде. Когда вода ограничена пространством толщиной в несколько атомов, она превращается в нечто совершенно незнакомое, проявляя свойства, более характерные для передовых материалов, таких как сегнетоэлектрики и суперионные жидкости.

Это удивительное открытие также противоречит тому, что учёные ранее знали о сильно ограниченной воде. Предыдущие работы показывали, что ограниченная вода теряет способность реагировать на электрическое поле, становясь «электрически мёртвой» при измерении в направлении, перпендикулярном поверхностям. Новое исследование выявило полную противоположность в параллельном направлении — электрическая реакция воды резко возрастает, на порядок величины.

Исследование, опубликованное в журнале Nature командой под руководством доктора Лауры Фумагалли в сотрудничестве с профессором Андреем Геймом, использовало передовую технику сканирующей диэлектрической микроскопии, чтобы заглянуть в электрические секреты воды на истинном наноуровне. Они заключали воду в каналы настолько узкие, что они вмещали всего несколько молекулярных слоёв.

Результаты поразительны: объёмная вода имеет диэлектрическую проницаемость около 80, но при толщине всего 1–2 нанометра её внутриплоскостная диэлектрическая проницаемость достигает значений, близких к 1000 — наравне с сегнетоэлектриками, используемыми в передовой электронике. В то же время проводимость воды увеличивается до значений, приближающихся к значениям суперионных жидкостей — материалов, считающихся весьма перспективными для аккумуляторов следующего поколения.

«Думайте об этом так, как будто у воды раздвоение личности, — объясняет доктор Фумагалли. — В одном направлении она электрически мертва, но посмотрите на неё в профиль, и внезапно она становится электрически сверхактивной. Никто не ожидал такого драматического поведения».

Открытие потребовало от команды разработки сверхчувствительных методов измерения, способных исследовать слои воды гораздо тоньше, чем оболочка вируса, и отслеживать их электрическую реакцию в диапазоне частот от килогерц до гигагерц — охватывая шесть порядков величины.

Исследование также показывает, что ограниченная вода существует в двух различных электрических режимах. Для каналов размером более нескольких нанометров вода ведёт себя как её объёмная форма, хотя и с гораздо более высокой проводимостью. Но как только её сжимают до атомных размеров, она претерпевает резкий переход в новое «суперионоподобное» состояние.

Эта трансформация происходит потому, что экстремальное ограничение нарушает водородно-связную сеть воды, которая в объёме представляет собой динамичную, но довольно упорядоченную структуру. На молекулярном уровне эта сеть становится неупорядоченной, позволяя диполям легче выравниваться с электрическими полями и обеспечивая быстрый перенос протонов.

«Так же, как графен раскрыл неожиданную физику, когда графит был утончен до одного атомного слоя, это исследование показывает, что даже вода — самая изученная жидкость на Земле — всё ещё может удивлять нас, когда её сжимают до абсолютно тончайшего состояния», — отмечает профессор Гейм, ранее получивший Нобелевскую премию за исследования графена.

Последствия выходят далеко за рамки фундаментальной науки. Понимание электрических свойств воды на наноуровне имеет решающее значение не только для физики и химии, но и для технологий, начиная от передовых аккумуляторов и микрофлюидики и заканчивая наноразмерной электроникой и биологией.

«Наше исследование меняет то, как мы должны думать о воде, — добавляет доктор Фумагалли. — Самое обычное вещество на Земле обладает необычайными талантами, которые до сих пор были скрыты».

ИИ: Это фундаментальное открытие 2025 года действительно меняет представления о, казалось бы, простом веществе. Возможность управления электрическими свойствами воды на наноуровне открывает перспективы для создания принципиально новых типов аккумуляторов и наноэлектронных устройств.