Углеродные нанотрубки превращают воду в лед при температуре выше точки ее кипения
Любому школьнику известно, что при нормальных условиях вода замерзает при температуре в 0 градусов Цельсия и кипит при температуре в 100 градусов. Однако, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что вода, находящаяся внутри полости крошечных углеродных нанотрубок, может находиться в замороженном состоянии при температурах, значительно превышающих точку ее кипения.
Пока еще нельзя точно сказать, к каким последствиям могут привести результаты данных исследования. Столь экзотическое состояние воды может быть использовано для создания не менее экзотических вещей, таких, как «ледяные» нанопроводники с протонной проводимостью, к примеру.
Известно, что температура является не единственным фактором, определяющим точку перехода между различными агрегатными состояниями воды. На это дело оказывает большое влияние давление, понижение которого заставляет воду кипеть при более низкой температуре. Более того, ученым уже некоторое время было известно, что вода начинает вести себя крайне странно, когда она ограничена чем-то, размеры чего исчисляются нанометрами.
Ранее в этом году ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) даже обнаружили четвертое агрегатное состояние воды, молекулы которой были помещены внутрь крошечных каналов.
«Если жидкость поместить в какую-нибудь наноразмерную «емкость», ее поведение по отношению к фазовым переходам кардинально изменится» — рассказывает Майкл Страно (Michael Strano), ведущий исследователь, — «И этот эффект оказался намного сильнее, чем мы ожидали».
Все наблюдения за молекулами воды проводились при помощи технологии вибрационной спектросопии, которая позволяет определить параметры движения молекул и, как следствие, в каком из агрегатных состояний находится исследуемое вещество.
Перед началом исследований ученые ожидали увидеть не очень большие изменения температуры кипения и замерзания воды. Однако, на практике ученые зарегистрировали нечто, совершенно обратное их ожиданиям, вместо ожидаемого понижения, температура точки замерзания воды переместилась значительно выше.
Вода, находящаяся внутри полости углеродных нанотрубок, находилась в замороженном состоянии в диапазоне от 105 до 151 градусов Цельсия. Сначала ученые пытались объяснить наблюдаемые ими эффекты малой точностью производимых измерений и погрешностью экспериментов. Однако, после самых тщательных проверок было выяснено, что измерение диаметра нанотрубок на 0.01 нанометра приводит к смещению точки замерзания воды на десятки градусов.
То, что вода внутри нанотрубок находилась в замерзшем состоянии, еще не значит, что она превратилась в обычный лед. Несмотря на все усилия и использованные технологии, ученые не смогли получить подтверждения существования внутри нанотрубки кристаллической структуры, соответствующей структуре обычного прозрачного льда.
Еще одним интересным моментом, который продолжает оставаться загадкой для ученых, является то, как молекулы воды проникли внутрь углеродных нанотрубок, учитывая то, что нанотрубки являются супергидрофобным (водоотталкивающим) материалом?
Так как данное направление науки можно назвать «неизведанным краем», ученые еще не знают, как можно использовать на практике этот странный материал?
Однако, уже высказаны предположения, что замерзшая при комнатной температуре вода может стать основой так называемых «ледяных проводников», которые смогут стать проводниками для протонов и иметь протонную проводимость в десятки раз лучше, чем у любого из других существующих материалов.
