Структура четырёхугольного, пятиугольного и семиугольного нанольда внутри однослойной нанотрубки. Синие и красные шары соответствуют атомам кислорода и водорода. Источник: результаты моделирования 2008 года

Необычные свойства воды давно являются объектом пристального изучения учёных. Десять лет назад выяснилось, что внутри нанотрубок диаметром менее 2,5 нм вода не замерзает, а продолжает течь даже при температурах, близких к абсолютном нулю (?273,15°C). Странности на этом не заканчиваются.

Фазовые переходы воды со сменой агрегатного состояния внутри углеродных нанотрубок явно не вписываются в стандартную теорию термодинамики. Это касается не только точки замерзания, но и точки кипения. Как известно, при нормальном атмосферном давлении температура кипения воды составляет около 100°C. При увеличении давления в ёмкости температура кипения увеличивается — этот принцип используют скороварки, чтобы быстрее приготовить пищу. И наоборот, температуру кипения воды можно снизить, уменьшив давление. Например, в горах на высоте 5 км приготовить некоторые продукты в принципе невозможно, потому что там температура кипения воды составляет всего лишь 83°C из-за пониженного атмосферного давления.

Учёным известно также, что температура фазовых переходов воды зависит также от формы и размера сосуда. При неизменности давления с помощью объёма сосуда можно сдвинуть точку кипения или точку замерзания примерно на 10°C. Но в углеродных нанотрубках всё становится с ног на голову. Как уже упоминалось, вода сохраняет там жидкое состояние при температурах, близких к абсолютному нулю. Сейчас учёные из Массачусетского технологического института (МТИ) подробно исследовали ещё один интересный феномен — фазовый переход в твёрдое состояние (ледяные нанотрубки) при высокой температуре, когда в нормальных условиях вода должна испаряться.

Этот феномен обнаружен в 2001 году группой японских и американских учёных. Ледяные нанотрубки представляют особенный интерес, потому что они образуются при высокой температуре и могут быть использованы в различных электронных наноустройствах, в том числе в газовых нанотурбинах, нанодатчиках потока и высокопоточных мембранах. Более того, способность воды замерзать в ледяные нанотрубки при температурах гораздо выше 0°C делает возможным использование ледяных нанотрубок в системах теплообмена. Были получены экспериментальные подтверждения такого использования, но до сих пор не были известны и изучены точные размеры и параметры углеродных нанотрубок, которые необходимы для затвердения воды при комнатной температуре и выше.

До настоящего времени большинство экспериментов с фазовым переходом воды в углеродных нанотрубках были ограничены симуляциями молекулярной динамики на компьютере, а не реальными физическими опытами. В результате симуляции выяснилось, что свойства воды сильно зависят от диаметра углеродной нанотрубки. Например, в порах диаметром 0,8?1,0 нм вода хорошо стабилизируется в парообразном состоянии, а где-то между диаметрами трубки 1,1 и 1,2 нм симуляции показывают стабилизацию в форме льда, то есть в твёрдом виде. Затем при увеличении диаметра свыше 1,4 нм опять наступает стабилизация в жидкой форме. Всё это очень интересно — и поэтому в МТИ разработали методологию физических опытов для проверки свойств воды в углеродных нанотрубках диаметром от 1,05 до 1,52 нм с одиночными и двойными стенками. Авторы эксперимента также разработали технику мониторинга воды в нанотрубках с помощью рамановской спектроскопии (радиальные колебания, RBM).


Экспериментальная установка для выращивания нанотрубок и заполнения их водой (почему гидрофобные нанотрубки пропускают внутрь воду — учёные тоже не до конца понимают); компьютерные модели однослойных и двухслойных нанотрубок для эксперимента; результаты рамановской спектроскопии

Эксперименты показали, что на некоторых диаметрах нанотрубок вода переходит в твёрдое агрегатное состояние при температурах выше 100°C. Максимально зарегистрированная температура фазового перехода составляет от 105°C до 151°C (точнее измерить не удалось) с диаметром однослойной нанотрубки 1,05 нм. Это гораздо выше параметров, которые предсказывала теория. В некоторых случаях реальная точка замерзания оказалась почти на 100°C выше, чем предсказывала теория. Впервые опыты был проведён в реальных лабораторных условиях — как выяснилось, не зря. Никто не ожидал настолько большой разницы в свойствах воды в нанотрубках диаметром 1,05 и 1,06 нм.


Голубой цвет на диаграмме — твёрдое состояние воды, зелёный — жидкое состояние, красный — пустые нанотрубки (dry state)

После прохода через точку замерзания учёные опустили температуру и вернули воду в жидкое состояние, доказав обратимость процесса. В нанотрубках диаметром 1,06 нм лёд таял при температуре 87?117°С, в нанотрубках 1,44 и 1,52 нм точка замерзания находится между 15?49°С и 3?30°С, соответственно.

Нанолёд обладает интересным сочетанием электрических и тепловых свойств. Наличие льда, который не тает при температуре до +151°С, может заинтересовать инженеров и конструкторов. При комнатной температуре такой лёд будет абсолютно стабильным, его вполне можно использовать как провода в электронике и других приборах (вода — один из лучших проводников протонов, известных науке), которые не нагреваются до +151°С, в противном случае этот проводник растает.

Научная работа опубликована 28 ноября 2016 года в журнале Nature Nanotechnology (doi: 10.1038/nnano.2016.254, pdf).
Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (41)


  1. impetus
    29.11.2016 20:26
    +6

    вот эта фазовая диаграмма для понимания:
    image


  1. Wizard_of_light
    29.11.2016 21:58
    +3

    Интересно, как определяют агрегатное состояние для таких маленьких молекулярных комплексов.


    1. Pshir
      30.11.2016 03:07
      +1

      Твёрдое: молекулы колеблются около среднего положения, имеется дальний порядок (в кристаллическом состоянии). Жидкое: молекулы не имеют определённого среднего положения, порядок отсутствует. Это всё применимо в данном случае.


      1. DrZlodberg
        30.11.2016 09:06

        А не может быть, что молекулы просто упорядочиваются в зависимости от соотношения размера молекул и диаметра трубки? Т.е. при некоторых диаметрах могут упорядочится(места мало и выгоднее быть в плотной упаковке), а в некоторых просто не может составить периодическую решетку т.к. не влезает целое количество молекул в слой. Из-за чего и такие колебания свойств ото льда до пара при одной температуре.


        1. m08pvv
          30.11.2016 09:10
          +1

          Вы напомнили

          одно интересное видео


        1. Pshir
          30.11.2016 10:13

          Ну примерно так всё и есть. Только правильно говорить не о «влезает/не влезает», а о разнице энергий упорядоченного и неупорядоченного состояний в трубках различного диаметра :)


        1. Garbus
          30.11.2016 11:51

          Тут еще интересен момент, а насколько вообще влияет на свойства воды такое «искуственное» выравниванике молекул? Например на прочность «льда» или теплопроводность? Вдруг какие необычные и полезные свойства проявляются.


          1. DrZlodberg
            30.11.2016 12:52

            Так вот я собственно и подозреваю, что лёд там может получиться совсем не твёрдый. Как и в случае горячего льда под высоким давлением. Это как наполнить коробку шариками и трясти и сжимать стенки. Рано или поздно мы просто сожмём их так, что они будут вынуждены выстроиться правильными рядами и перемещаться перестанут. Однако связей между ними (как в кристаллической решетке) как не было, так и нет. Этакий жидкий лёд.


    1. kromobis
      30.11.2016 10:26

      По молекулярной структуре


    1. Anonymous929
      30.11.2016 10:26

      Авторы эксперимента также разработали технику мониторинга воды в нанотрубках с помощью рамановской спектроскопии (радиальные колебания, RBM).


  1. mammuthus
    29.11.2016 23:59
    +3

    >Например, в горах на высоте 5 км приготовить некоторые продукты в принципе невозможно, потому что там температура кипения воды составляет всего лишь 83°C из-за пониженного атмосферного давления.

    Какие продукты требуют нагревания выше 83°C?


    1. PapaBubaDiop
      30.11.2016 00:10
      +4

      Чай плохо заваривался. Он, правда, был грузинский №2 и плохо заварился даже на равнине)


      1. Pshir
        30.11.2016 03:09
        +2

        Брали бы зелёный. Его как раз при такой температуре надо заваривать.


        1. PapaBubaDiop
          30.11.2016 10:44
          +1

          В советское время не ты выбирал чай, а он тебя. Сгущенка, тушенка, чай со слоником — все по талонам.

          А сейчас вроде можно все купить, только горы уже не найти высокие, все отобрали проклятые англичане.


    1. mistergrim
      30.11.2016 00:19

      Например, я чай наливаю и пью ещё с бурлящего чайника.


      1. jex
        30.11.2016 01:09
        +1

        Довольно вредно так делать…


        1. mistergrim
          30.11.2016 05:08

          Полностью осознаю, но с зимой ?шесть месяцев в году привычка укореняется крепко.


          1. NuiQ
            30.11.2016 08:02
            +4

            Тоже завариваю кипящей водой. Не подскажете, почему это вредно?


            1. ClearAirTurbulence
              30.11.2016 10:39
              +1

              наливаю и пью

              Вредно не заваривать, а пить.
              Хотя заваривать лучше тоже не совсем кипятком, а 85-90-градусной водой, вкус лучше, особенно у зеленого чая.


            1. QWhisper
              30.11.2016 21:52

              Вредно пить, повышается риск рака гортани и пищевода(вероятно от повреждений). Не так давно было исследование на эту тему.


        1. dubakov
          30.11.2016 09:21
          +4

          Бухаю, курю, употребляю. Постоянно не высыпаюсь. Живу в городе с мерзкой экологией. Ем еду из продуктов из магазина. Скажите, насколько мне может повредить чай из бурлящего чайника?


          1. ksenobayt
            30.11.2016 09:33
            +1

            Лист пережигается, пуриновые соединения базовые распадаться начинают.


          1. akaChewy
            30.11.2016 15:12
            +1

            Вы бы добавили ещё, что завариваете Нури. В таком случае, бурлящий чайник точно мало на что повлияет.


    1. gearbox
      30.11.2016 01:05
      -1

      мясо попробуйте сварить в такой воде — поймете.


      1. VenomBlood
        30.11.2016 01:18
        +3

        Говядина готовится при ~60 градусах по цельсию. При 75 градусах уже можно без проблем любые блюда из свинины или курицы делать. 83 градуса по цельсию — это более чем достаточно для любого мяса которое вы купите в обычном магазине, может какие экзотические виды мяса и надо готовить при большей температуре, я таких не знаю.


      1. mammuthus
        30.11.2016 01:22
        +2

        Раскройте мысль. Почему это принципиально невозможно?
        Лишь немного увеличивается время приготовления (точнее, пастеризации).


      1. Kolegg
        30.11.2016 01:26

        Подразумевается, что в сувиде все прекрасно готовится и при более низкой температуре.


      1. Delics
        30.11.2016 03:39

        Колбаса варится при температуре 70-80 градусов.


    1. Chefcook81
      30.11.2016 10:28

      Некоторые сорта картофеля, ну правильно сваренные макароны)))


    1. quqdron
      30.11.2016 11:56

      Из горного опыта, технология приготовления ЛЮБЫХ* продуктов:
      В автоклав загружается вода (лед) и продукты, закрывается крышка,
      Доводится до 110 °C,
      Автоклав убирается в теплый чехол,
      Через 15 мин стравливается остаточное давление и горячее подается на стол.

      *проблема только с манной кашей :( т.к. слипается комком на дне — надо периодически встряхивать.


  1. Mnemone
    30.11.2016 07:10
    +7

    Курт Воннегут написал про лед-девять в 1963 году. Подозревал ли он?


    1. olekl
      30.11.2016 13:29
      +1

      Это если бы контакт нано-льда и обычной воды вызывал ее кристаллизацию :) Так что не совсем лед-девять, увы.


  1. 3aicheg
    30.11.2016 08:51

    >пятиугольного и семиугольного нанольда

    Имя какого-нибудь варяжского князя напоминает. Аскольд, Свенельд и Нанольд.


  1. vdonich
    30.11.2016 10:28
    -3

    Я просто это тут оставлю…
    https://ru.wikipedia.org/wiki/Лёд-девять_(Воннегут)


  1. alex1603
    30.11.2016 13:43

    А разве вода проводит электрический ток? Углерод да!


  1. Pshir
    30.11.2016 15:27

    При комнатной температуре такой лёд будет абсолютно стабильным, его вполне можно использовать как провода в электронике и других приборах
    Автору статьи. Пожалуйста, проясните этот момент. Во-первых, это предложение звучит очень странно, с учётом того, что лёд — изолятор. Во-вторых, в оригинальной статье про это нет ни слова.


    1. alizar
      30.11.2016 18:57

      ok, прояснил


  1. ivananashkin
    30.11.2016 18:50

    В принципе в данной работе нельзя говорить о чистой воде. Макросвойства, такие как термодинамические, физикохимические свойства зависят не только от свойств одной молекулы, а в большей степени зависят от межмолекулярного взаимодействия. То есть рассматривать нанотрубку как сосуд неверно, верно рассматривать нанотрубку как компонент смеси. Таким образом вкорне неверно сравнивать результаты моделирования с фазовой диаграммой чистой воды.


    1. Pshir
      01.12.2016 00:13

      Таким образом вкорне неверно сравнивать результаты моделирования с фазовой диаграммой чистой воды.
      Как раз этого в статье и не делают.


  1. datacompboy
    30.11.2016 22:28

    Так-так-так. Почему-то на самое интересное в тексте «температура фазовых переходов воды зависит также от формы и размера сосуда» дано без ссылок. Попытка загуглить безрезультатна. Можно пруф?


    1. impetus
      01.12.2016 14:49

      кстати да, хотя подозреваю, что речь идёт о тонких-тонких капиллярах или плёнках, там бывают забавные эффекты.