Ученые долго пытались разобраться, меняется ли химическая активность воды, когда она оказывается в очень тесном пространстве — например, в крошечных порах или каналах размером всего в несколько молекул. Ведь от способности воды распадаться на ионы зависит ее кислотность (pH), а это важно и для работы живых клеток, и для разных технологий, например, для батарей.
Исследователи изучили, как ведет себя вода в наноограниченном пространстве. Для этого они использовали продвинутое моделирование на основе машинного обучения: такой подход позволяет с высокой точностью учесть множество условий. В эксперименте воду помещали между слоями двух тонких материалов — графена и гексагонального нитрида бора (hBN).
Оказалось, что само по себе «запирание» воды в узком пространстве не делает ее более реакционноспособной. Главный фактор — давление. Вода, зажатая между слоями, испытывает колоссальное внутреннее давление — в несколько гигапаскалей, как глубоко внутри Земли. Это давление и усиливает распад воды на ионы.
Еще ученые выяснили, что материал, который «обнимает» воду, тоже играет роль. В случае с hBN ионы, возникающие при распаде воды, связываются с материалом, что облегчает дальнейший распад. А вот графен такой способности не имеет: его поверхность химически нейтральна, поэтому эффекта нет.
Эти результаты помогают объяснить, почему раньше разные эксперименты давали противоречивые данные: исследователи невольно сравнивали системы с разным давлением или плотностью. Теперь появилась четкая основа: чтобы управлять реакционной способностью воды на наноуровне, нужно учитывать и давление, и свойства материала стенок.
Открытие пригодится для разработки новых технологий — например, топливных элементов, батарей, мембран и катализаторов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что вода может состоять из двух разных жидкостей.
