Скрытое свойство воды для технологий чистой энергии

Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес в связи с ее центральной ролью в обеспечении физиологических процессов и повсеместного присутствия в природе

Вода в жидком состоянии отлично проводит собственные продукты автоионизации, то есть заряженные частицы, полученные при расщеплении молекул воды (H₂O) на протоны (H⁺) и гидроксид-ионы (OH⁻). Это замечательное свойство воды делает ее критически важным компонентом в новых технологиях производства и хранения электрохимической энергии, например, в топливных элементах. Сама жизнь была бы невозможна, если бы вода не обладала этим свойством.

Вода состоит из сложной сети слабых направленных взаимодействий, известных как водородные связи. В течение почти столетия ученые считали, что механизмы, по которым вода транспортирует ионы H⁺ и OH⁻, являются зеркальным отражением друг друга. Что они идентичны во всех отношениях, за исключением направленности таких связей, участвующих в процессе.

Однако современные теоретические модели и компьютерное моделирование предсказывают фундаментальную асимметрию в этих механизмах. Если это правильно, то эта асимметрия может быть использована в различных устройствах.

Исследователи провели эксперимент по установлению этой асимметрии. Экспериментальный подход включал охлаждение воды до ее так называемой температуры максимальной плотности, где ожидалось, что асимметрия проявится наиболее сильно, что позволит достоверно ее зафиксировать.

Охлажденная, но не замороженная

Общеизвестно, что лед плавает на воде, а озера замерзают сверху. Это происходит потому, что молекулы воды упаковываются в структуру с более низкой плотностью, чем у жидкой воды, что является проявлением необычных ее свойств: плотность воды в жидком состоянии увеличивается при температуре чуть выше точки замерзания и достигает максимума при 4 °С. Это так называемая температура максимальной плотности. Эта разница в плотности определяет то, что жидкость всегда находится ниже льда.

Охлаждая воду до этой температуры, для наблюдения был использован метод ядерного магнитного резонанса, чтобы показать, что разность времени жизни двух ионов достигает максимального значения. Подчеркивая разницу в продолжительности жизни, асимметрия стала явной.

Вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы водорода относительно мобильны и могут переходить от одной молекулы к другой, и именно этот скачок делает два ионных компонента настолько подвижными в воде.

В поисках объяснения зависимых от температуры характеристик исследователи сосредоточились на скорости, с которой могут происходить такие скачки.

Предыдущие исследования показали, что основные геометрические расположения водородных связей (по одной, связанных с каждым ионом) облегчают прыжки. Было обнаружено, что достижение 4 °С приводит к значительно более медленным прыжкам для OH⁻, чем для H⁺.

Учитывая, что это также температура максимальной плотности, исследователи пришли к выводу, что эти два явления должны быть между собой связаны. Кроме того, их результаты показали, что поведение молекул резко менялось при такой температуре.

Большой интерес

«Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес в связи с ее центральной ролью в обеспечении физиологических процессов и повсеместного присутствия в природе». «Новое открытие довольно удивительно и может позволить глубже понять свойства воды, а также ее роль как жидкости во многих явлениях природы».

«Приятно, что этот очевидный экспериментальный факт подтверждает ранние прогнозы». «В настоящее время идет поиск новых способов использования асимметрии между транспортом H⁺ и OH⁻ для разработки новых материалов в области экологически чистой энергии».

Выводы команды также повлияют на ряд других исследований, начиная от изучения функции ферментов в биохимических процессах и заканчивая пониманием того, как живые организмы могут процветать в суровых условиях, в том числе при минусовых температурах и сильно кислой среде.

Источник: New York University. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.076001