То, что мы знаем о воде, могло резко измениться

Вода – это странно, но в то же время так важно. Фактически, это одна из самых необычных молекул на Земле. Он закипает при температуре, которой не должно быть. Когда он находится в твердом состоянии, он расширяется и плавает. Его поверхностное натяжение выше, чем должно быть. Теперь в журнале опубликовано новое исследование. Природа добавил еще одно не менее странное свойство к списку странностей воды. Последствия этого нового откровения могут оказать заметное влияние на все процессы, связанные с водой, от очистки воды до производства лекарств.


Стивен Кронин, профессор электротехники и вычислительной техники инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, и Александр Бендерский, доцент химии Колледжа литературы, искусств и наук Университета Дорнсайф, показали, что при контакте воды с поверхностью электрода все молекулы не реагируют одинаково. Это может существенно повлиять на то, насколько хорошо различные вещества могут растворяться в воде под действием электрического поля, которое, в свою очередь, может определять, как будет происходить химическая реакция. И химические реакции – необходимый компонент того, как мы делаем … все.

Уместно, чтобы эта новаторская работа стала результатом междисциплинарных исследований между химиком и инженером-электриком. В конце концов, химия – это, по сути, изучение электронов, а химические реакции – это то, что делает материалы, на которых построен наш современный мир. Каждый исследователь внес в работу важный компонент. В данном случае это новаторский электрод от инженера Кронина и передовая технология лазерной спектроскопии от химика Бендерского. В конечном итоге именно комбинация этих двух конструкций привела к наблюдаемому прорыву.

Во-первых, Кронин разработал уникальный электрод, построенный из однослойного графена (толщиной всего 0,355 нм). Создание графеновых электродов само по себе является очень сложным процессом. Фактически, электрод, необходимый для этого конкретного исследования, – это тот электрод, который исследовательские группы по всему миру пытались и не смогли сделать в прошлом. «Мы с Алексом какое-то время пытались достичь этого, и нам приходилось много раз менять наш дизайн. Приятно и интересно, наконец, увидеть результаты нашей работы», – сказал Кронин.

Как только электрод помещается в ячейку с водой и начинает течь ток, в игру вступает техника Бендерского. Он использует специальный метод лазерной спектроскопии, который удалось воспроизвести лишь немногим другим исследовательским группам. «Используя наш подход к наблюдению за молекулами воды, впервые в условиях наших экспериментов, мы смогли увидеть, как молекулы взаимодействуют с полем так, как никто раньше не понимал», – сказал Бендерский.

Эти двое обнаружили, что верхний слой молекул воды, ближайший к электроду, выстраивается совершенно иначе, чем остальные молекулы воды. Это осознание было неожиданным. Но это может открыть путь для более точного моделирования того, как химические реакции в воде в различных областях влияют на материалы, с которыми они работают. Одна конкретная область, в которой это исследование может оказать немедленное влияние, – это обеспечение чистой водой. «Вода, контактирующая с графеном, действительно предлагается в качестве новой технологии обессоливания», – сказал Кронин. «Наши исследования могут помочь ученым разработать более качественные модели, которые в конечном итоге принесут людям опресненную чистую воду быстрее, дешевле и чище».

Бендерский и Кронин не планируют в ближайшее время прекращать свое давнее исследовательское сотрудничество. Теперь, когда они определили это новое качество воды, они планируют копать глубже. «Наши опубликованные исследования посвящены тому, как вода коллективно реагирует на течение. Затем мы пытаемся понять, как эта реакция работает на индивидуальном молекулярном уровне», – сказал Бендерский.