Вода нарушила законы природы: молекулы ведут себя как твёрдое и жидкое сразу

Вода — самый привычный элемент на Земле. Но чем глубже учёные её изучают, тем больше она оказывается похожей на квантовую загадку, а не на простую жидкость.

Новое исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, показало: в ограниченном пространстве молекулы воды могут вести себя одновременно как лёд и как жидкость. Это не поэтический образ, а подтверждённый факт, который может изменить наше понимание вещества.

Когда вода перестаёт быть просто водой

Эксперимент, проведённый группой Макото Тадокоро из Токийского научного университета, поставил под сомнение привычное представление о фазах вещества. Исследователи использовали тяжёлую воду (D₂O), в которой атомы водорода заменены на дейтерий — изотоп, содержащий дополнительный нейтрон.

Такую воду поместили в микроскопические гидрофильные каналы шириной всего 1,6 нанометра - примерно в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. В этих условиях вода вела себя не как привычная жидкость и не как лёд. Её молекулы фиксировались в структуре, подобной кристаллической решётке, но при этом вращались, как в жидкости.

"По сути, это новая фаза воды, в которой сосуществуют замороженные слои H₂O и медленно движущаяся H₂O", — объяснил Тадокоро.

Это состояние получило название предплавление - промежуточный режим между твёрдым и жидким состоянием, когда структура ещё не распалась, но молекулы уже начинают "жить своей жизнью".

Почему этот феномен важен? Потому что он показывает, что фазы воды — не фиксированные границы, а плавные переходы. Между льдом и водой существует множество промежуточных состояний, которые раньше невозможно было наблюдать напрямую.

Как наблюдать то, что невозможно увидеть

Для фиксации поведения молекул команда использовала твердотельную дейтериевую ядерно-магнитную резонансную спектроскопию (ЯМР). Этот метод позволяет изучать движение атомов внутри вещества без разрушения образца. Наблюдения показали, что замороженная тяжёлая вода образует трёхслойную структуру, в которой каждый слой демонстрирует собственную динамику:

• во внутреннем слое молекулы почти неподвижны,

• в среднем вращаются вокруг оси,

• во внешнем — колеблются свободнее, словно в жидкой среде.

Что делает этот результат уникальным? До сих пор подобное состояние можно было только предполагать теоретически. Теперь оно зафиксировано экспериментально. Исследование открыло новую грань того, как вода ведёт себя в наноразмерных пространствах — например, в порах минералов, белковых структурах и даже в клеточных мембранах.

Сравнение с обычным льдом делает эффект нагляднее. В макромасштабе предплавление проявляется в виде тонкой водяной плёнки на поверхности льда, даже при отрицательных температурах. Но в замкнутом нанопространстве этот процесс приобретает другую физическую природу - вместо поверхностного таяния возникает смешанная фаза, где порядок и хаос сосуществуют одновременно.

Странности воды под микроскопом

Почему вода вообще способна на такие фокусы? Её молекулярная структура уникальна: угловое расположение атомов создаёт асимметричное распределение заряда, что позволяет ей образовывать и разрывать водородные связи с огромной скоростью. В зависимости от давления, температуры и ограничений пространства вода может:

• не замерзать даже при температурах ниже -100 °C,

• превращаться в лёд при температурах, близких к кипению,

• менять электропроводность и вязкость.

Этот набор аномалий давно поражает физиков. Теперь добавился ещё один пункт: способность быть льдом и жидкостью одновременно.

А что если эта странность не исключение, а правило? Тогда поведение воды в живых системах и технологических процессах может оказаться гораздо сложнее, чем считалось. Ведь внутри клеток молекулы H₂O тоже "заперты" в тесных пространствах, похожих на те, что использовали японские исследователи.

От фундаментальной физики к практическим применениям

Команда Тадокоро считает, что понимание состояния предплавления может быть не только научным открытием, но и технологическим инструментом. Вода, находящаяся между фазами, обладает уникальными свойствами поглощения и удержания газа.

"Создавая новые структуры ледяной сети, можно будет хранить энергетические газы, такие как водород и метан, а также разрабатывать материалы на водной основе, такие как искусственные газовые гидраты", — заявил Тадокоро.

Речь идёт о перспективах энергетических хранилищ нового типа - стабильных, безопасных и экологичных. В отличие от традиционных газовых баллонов, ледяные структуры могут связывать газы на молекулярном уровне и высвобождать их при нужной температуре.

Кроме того, такое понимание поведения воды может помочь в разработке наноматериалов для медицины, где важна точная передача влаги и тепла. Например, в системах доставки лекарств или в биосовместимых покрытиях, где микроскопическая структура воды определяет свойства материала.

Ошибки восприятия и новые горизонты

Многие привыкли считать воду "простым веществом", но она остаётся одним из самых загадочных материалов на Земле. Учёные уже давно знают, что существует не менее 17 различных кристаллических форм льда, каждая из которых возникает при своём сочетании давления и температуры. Новое открытие добавляет к этому списку ещё одно — гибридное состояние, где вода находится в промежуточной форме, как квантовый объект.

Можно ли считать это четвёртым состоянием воды? Нет. Это скорее мост между двумя уже известными. Но именно такие переходные состояния позволяют понять, почему вода — универсальный растворитель и главный носитель жизни.

Если раньше изучение H₂O казалось завершённым, теперь ясно: впереди ещё десятки открытий. Вода продолжает удивлять — от глубин океанов до нанометровых каналов.