Устойчивый твердый по свойствам вода при нормальных условиях

Вода, которая ведет себя как твердое тело

Обычно мы представляем воду как вещество, которое течет, брызгается и испаряется, если только оно не замерзло в лед. Это исследование выявляет удивительное новое поведение: при определенном виде ограничения обычная жидкая вода может вести себя как твердое тело, находясь при повседневных температурах и давлениях. Понимание этого необычного состояния может изменить наше представление о воде в крошечных порах пород, в микромашинах и даже в биологических системах.

Запирая воду в крошечных стеклянных трубках

Исследователи работали с тончайшими трубками из кремнезема, материала, похожего на стекло и кварц. Эти трубки полые, их можно заполнить водой, а внутренние диаметры варьировались от долей микрометра до нескольких микрометров (микрометр — это тысячная доля миллиметра). Когда вода была запечатана внутри трубок масштабов от субмикрона до нескольких микрометров, она переставала вести себя как обычная жидкость. С помощью сфокусированных ионных пучков команда могла разрезать воду внутри трубок, формировать резкие сечения и даже деформировать ее под давлением, не дав ей растечься — поведение, которое мы обычно связываем с мягкими твердыми телами, а не с жидкостями. Эти твердо-подобные «пробки» воды оставались неизменными в диапазоне от −20 до 90 градусов Цельсия и при давлении от высокого вакуума до нормального атмосферного, сохраняя стабильность как минимум 54 дня.

Исследуя скрытую внутреннюю структуру

Чтобы понять, что делает эту конфайнованную воду столь отличной, команда обратилась к нескольким типам «приборов прослушивания» для молекул: рамановской и инфракрасной спектроскопии и протонного ядерного магнитного резонанса (¹H NMR). Эти методы измеряют, как молекулы воды вибрируют и движутся. В самых маленьких трубках спектральные отпечатки смещались и расширялись по сравнению с обычной жидкой водой, сигнализируя о замедленном движении и реорганизованной сети связей между молекулами воды. Электронная дифракция — способ увидеть кристаллические узоры — не показала резких пятен или колец, как в льду, а вместо этого дала диффузное ореолоподобное изображение. Это означает, что такая вода, подобная твердому телу, не замерзла в регулярную кристаллическую решетку, а представляет собой аморфное, стекловидное состояние: твердая по поведению, но лишенная дальнего порядка, присущего снежинкам или кубам льда.

Исключая загрязнения и выявляя истинную причину

Очевидный вопрос заключался в том, не является ли этот твердо-подобный материал на самом деле примесью или остатком. Чтобы проверить это, исследователи проанализировали выдавленный материал с помощью методов, выявляющих присутствующие элементы и их ионные фрагменты. Они обнаружили почти исключительно водород и кислород, что согласуется с водой и окружающим кремнеземом, и не нашли явных сигналов посторонних элементов. Это поддержало вывод о том, что новая фаза по сути является формой конфайнованной воды, а не загрязнителем. Внимание затем переключилось на внутреннюю поверхность трубок. Детальные измерения показали, что по мере уменьшения диаметра трубки ниже примерно 2–5 микрометров плотность силанольных групп — мест на поверхности кремнезема, несущих водород — резко возрастает, особенно в пределах всего нескольких нанометров от внутренней стенки. Когда команда химически удаляла часть этих групп, вода, ранее ведшая себя как твердое тело, возвращалась к нормальному жидкому состоянию. И наоборот, при увеличении числа этих групп в более крупных трубках конфайнованная вода становилась твердо-подобной. Эта обратимая перестройка убедительно указывала на поверхностную химию, а не только на плотную геометрию, как на управляющий фактор.

Как поверхностная химия «замораживает» движение без образования льда

Возникающая картина такова: нагромождение силанольных групп на внутренних стенках действует как мощные якоря для соседних молекул воды. За счет сильных водородных связей они глушат как колебания, так и вращение молекул воды, фактически снижая их кинетическую энергию без образования кристалла. По мере того как поверхность становится более плотно покрытой этими группами и трубка сужается, это влияние простирается дальше от стенки, в конечном итоге блокируя значительный объем воды в состоянии с низкой подвижностью, подобном твердому. Команда показала, что это состояние благоприятно при близких к нейтральным или слегка основным условиях (умеренное pH), но разрушается при очень кислых условиях, которые изменяют баланс протонов на поверхности и ослабляют интерфейсную сеть связей. Интересно, что добавление соли до высоких концентраций мало влияло, что указывает на то, что короткодействующие взаимодействия у стенки доминируют над эффектами объёмного раствора.

Почему это важно за пределами лаборатории

Для непрофессионалов главный вывод таков: вода не обязана быть замороженной или запертой в ультра-нанометрических порах, чтобы вести себя как твердое тело. В этой работе сочетание субмикронной геометрии и чрезвычайно реакционноспособной внутренней поверхности заставляет воду принимать устойчивое, стекловидное состояние при комнатной температуре и обычном давлении. Это открытие может помочь объяснить загадочное поведение потока в плотных породах, богатых кремнеземом, где вода движется медленнее, чем ожидалось. Оно также предлагает новые подходы к проектированию микрофлюидных устройств, крошечных реакторов и, возможно, методов консервирования без замораживания, опирающихся на иммобилизованную воду вместо льда. Проще говоря, тщательная инженерия поверхностей на малых масштабах может позволить управлять водой, переводя ее по требованию из жидкоподобного состояния в твердоподобное и обратно.

Цитирование: Wei-qing, A., Xiang-an, Y. & Ji-rui, Z. A stable solid-like water at normal condition. Sci Rep 16, 14588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42682-x

Ключевые слова: конфайнованная вода, силикатные микротрубки, фазовое состояние, подобное твердому, интерфейсная химия, водородные связи