Ученые выяснили, что на самом деле происходит с водой в крошечных пространствах

Вид сверху на наноразмерную каплю воды, зажатую между двумерными листами графена. В таких наноскопических масштабах, в отличие от обычной воды, которую мы пьем, ученые долгое время спорили, становится ли вода более или менее реакционноспособной, более или менее способной расщепляться на ионы, определяющие ее pH. Источник: Xavier Rosas Advincula, Cavendish Laboratory

Вода изучена едва ли не лучше любого другого вещества, однако ученые долго не могли прийти к единому мнению по удивительно простому вопросу: что происходит с ее химическими свойствами, когда она оказывается зажатой в пространствах шириной всего в несколько молекул?

Такие крошечные пространства повсеместно встречаются в природе и технологиях, включая наноразмерные поры, мембраны и биологические каналы. Новое исследование показало, что ответ оказался более тонким, чем считалось ранее, что помогает разрешить многолетние противоречия в результатах.

Почему расщепление воды имеет значение

Одно из определяющих химических свойств воды — это ее способность расщепляться на две заряженные частицы: H₃O⁺ (ион гидроксония) и OH^- (гидроксид-ион). Этот процесс определяет pH, который измеряет кислотность или щелочность раствора, и играет центральную роль в кислотно-основной химии. Он влияет на всё: от ферментов, обеспечивающих работу ваших клеток, до реакций, происходящих внутри батарей.

Ученые хотели выяснить, меняет ли заключение воды в пространства размером всего в миллиардные доли метра то, насколько легко происходит это расщепление.

Их выводы, опубликованные в журнале Science Advances, свидетельствуют о том, что кажущаяся химическая реакционная способность воды в наноограниченном пространстве сильно зависит от таких факторов, как плотность, размер пор, гибкость стенок и химия поверхности.

«Когда мы сравнивали системы в эквивалентных термодинамических условиях — в частности, при одинаковом химическом потенциале (величине, определяющей, будет ли протекать реакция), — эффект ограничения пространства в значительной степени исчезал. Другими словами, само по себе ограничение пространства не меняет реакционную способность воды. Это объясняет, почему эксперименты за последнее десятилетие давали противоречивые результаты», — сказал Ксавье Р. Адвинкула, ведущий автор исследования.

«Противоречия в литературе были в основном связаны с тем, что ученые сравнивали системы при разном эффективном давлении или плотности, сами того не осознавая».

Машинное обучение раскрывает недостающий элемент

Чтобы изучить проблему, исследователи использовали симуляции с машинным обучением, которые воспроизводят квантово-механическую точность, позволяя при этом изучать гораздо более широкий диапазон условий, чем традиционные вычислительные методы.

Команда исследовала воду, зажатую между листами графена и гексагонального нитрида бора (hBN). Хотя оба материала имеют толщину всего в один атом и схожую структуру, их поверхностная химия сильно различается.

Симуляции также показали, что капли воды, заключенные между этими материалами, испытывают чрезвычайно высокое внутреннее давление. Вода, зажатая между листами графена или hBN, может достигать давления в несколько гигапаскалей, что сравнимо с давлением в глубинах Земли, даже без приложения внешней силы.

Вместо этого давление возникает естественным образом из-за вандерваальсова притяжения между атомарно тонкими слоями. Хотя сила между отдельными атомами слаба, она становится remarkably сильной на большой площади поверхности двумерных материалов, стягивая листы вместе и сжимая воду между ними.

Давление, а не ограничение пространства, управляет реакционной способностью воды

Исследователи обнаружили, что эти интенсивные давления значительно увеличивают расщепление молекул воды.

Однако, когда они сравнили ограниченную воду с обычной объемной водой, подвергнутой тому же давлению, обе вели себя практически одинаково. Это показало, что повышенная реакционная способность возникает в первую очередь из-за самого давления, а не только из-за ограничения пространства.

«Больше всего нас удивило то, насколько значительная часть кажущегося эффекта ограничения пространства может быть объяснена термодинамикой. Как только давление и химический потенциал должным образом учтены, большая часть сложности просто встает на свои места», — сказал профессор Ангелос Михаэлидес с химического факультета имени Юсуфа Хамида Кембриджского университета.

Химия поверхности по-прежнему играет важную роль

Хотя простое сжатие воды в крошечные пространства само по себе не делает ее более реакционноспособной, окружающий материал все же может влиять на ее химию.

В каплях воды, ограниченных hBN, гидроксид-ионы (OH^-), образующиеся по краям, химически связывались с окружающим материалом. Это стабилизировало ионы, снижало энергию, необходимую для расщепления воды, и увеличивало степень диссоциации.

Тот же эффект не наблюдался с графеном, потому что его химически инертная поверхность не участвует в реакции.

Результаты показывают, что материал, окружающий ограниченную воду, может активно формировать ее химическое поведение.

«Это исследование предоставляет новую основу для понимания химии воды в наномасштабе и помогает согласовать десятилетие, казалось бы, противоречивых исследований», — сказал доктор Кристоф Шран из Группы теории конденсированного состояния Кавендишской лаборатории.

«Что более важно, работа предлагает практический принцип проектирования для создания наноразмерных химических сред. Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на размере пор или каналов, мы можем настраивать реакционную способность воды, выбирая ограничивающий материал, поверхности которого взаимодействуют с продуктами диссоциации воды, и контролируя давление, создаваемое в ограниченных пространствах».

Потенциальное применение в энергетических технологиях

Эти результаты могут иметь важное значение для технологий, которые зависят от воды в ограниченном пространстве, включая водородные топливные элементы, батареи, ионоселективные мембраны и каталитические системы.

Далее исследователи планируют изучить более реалистичные среды, включающие дефекты и края, обычно встречающиеся в практических материалах. Они также надеются сравнить свои прогнозы с лабораторными измерениями, используя передовые спектроскопические и нанофлюидные методы.

В то же время команда проводит скрининг больших семейств двумерных материалов и поверхностных химических составов, чтобы выявить комбинации, которые могут либо усиливать, либо подавлять реакционную способность воды для конкретных технологических применений.

Источники:

Материалы предоставлены Кембриджским университетом.

Xavier R. Advincula, Yair Litman, Kara D. Fong, William C. Witt, Christoph Schran, Angelos Michaelides. How reactive is water at the nanoscale and how to control it? Science Advances, 2026; 12 (26) DOI: 10.1126/sciadv.aeb5772