Учёные открыли «шагающие» молекулы воды на 2D-материале

Неожиданное открытие о поведении воды на одном из самых тонких в мире 2D-материалов может привести к значительным технологическим улучшениям. Речь идёт о создании лучших антиобледенительных покрытий для самолётов, самоочищающихся солнечных панелей, смазок нового поколения и энергетических материалов.

Диффузия одиночной молекулы воды на гексагональном нитриде бора. Автор: Университет Суррея и Технический университет Граца.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Университета Суррея и Технического университета Граца изучили два ультратонких листовых материала с сотовой структурой — графен и гексагональный нитрид бора (h-BN). Если графен электропроводен и является ключевым претендентом на роль основы для будущей электроники, датчиков и батарей, то h-BN, часто называемый «белым графитом», представляет собой высокопроизводительный керамический материал и электрический изолятор.

Как вода движется по 2D-материалам

Исследователи обнаружили, что эта тонкая разница полностью меняет характер взаимодействия воды с поверхностями. Вместо того чтобы «прыгать» между фиксированными точками, как на графене, отдельные молекулы воды на h-BN движутся плавным, перекатывающимся движением — почти как будто шагают по поверхности.

Это неожиданное поведение показывает, как даже мельчайшие вариации в атомной структуре материала могут радикально изменить движение воды в наномасштабе. Это открывает учёным новые возможности для проектирования поверхностей, контролирующих трение, смачиваемость и образование льда.

«Мы склонны думать о воде как о простом веществе, но на молекулярном уровне она ведёт себя удивительным образом. Это почти как если бы молекула шла, а не прыгала. Это непрерывное вращательное движение было совершенно неожиданным. Наша работа показывает, что мельчайшие детали поверхности могут изменить то, как движется вода, — это может помочь нам разработать лучшие покрытия, датчики и устройства», — говорит доктор Марко Сакки, доцент и научный сотрудник Королевского общества в области физической и вычислительной химии.

Передовые методы раскрывают молекулярное поведение

Чтобы зафиксировать движение, команда из Граца использовала высокочувствительную технику, называемую спектроскопией эха спина гелия, которая может отслеживать движение отдельных молекул, не нарушая их. Исследователи из Суррея также провели сложные компьютерные симуляции, чтобы смоделировать происходящее на атомном уровне.

Вместе эксперименты и симуляции показали, что вода испытывает меньшее трение на h-BN — особенно когда материал лежит на никелевой подложке, — что позволяет молекуле двигаться более свободно. На графене, напротив, лежащий под ним металл усиливает взаимодействие между молекулой и поверхностью, увеличивая трение и делая движение менее плавным.

«Подложка под 2D-материалом оказалась критически важной — она может полностью изменить поведение воды и даже обратить вспять наши ожидания. Если мы сможем настроить движение воды с помощью правильного выбора материала и подложки, мы сможем проектировать поверхности, контролирующие смачивание или сопротивляющиеся обледенению. Эти идеи могут преобразить технологии, основанные на манипулировании водой в наномасштабе — от передовых покрытий и смазок до мембран для опреснения», — говорит доктор Антон Тамтёгль, старший научный сотрудник Технического университета Граца и соавтор исследования.

Больше информации: Phillip Seiler et al, Understanding water behaviour on 2D material interfaces through single-molecule motion on h-BN and graphene, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65452-1

Источник: University of Surrey