Химические свойства воды, помещённой в замкнутые пространства нанометрового масштаба, долгое время оставались предметом научных споров. Новое исследование показало, что ключевую роль в изменении её поведения играет не сам факт изоляции, а высокое давление и химический состав стенок такого пространства. Это объясняет, почему результаты предыдущих экспериментов часто противоречили друг другу.
Способность воды распадаться на ионы гидроксония (H₃O⁺) и гидроксида (OH⁻) – фундаментальное свойство, которое определяет её кислотность (pH) и лежит в основе множества химических и биологических процессов. Учёные пытались понять, как на этот процесс влияет заточение молекул воды, например, в нанопорах или между мембранами.
С помощью моделирования на основе машинного обучения исследователи изучили поведение воды, зажатой между двумя атомарно-тонкими листами – графена и гексагонального нитрида бора. Выяснилось, что силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) между этими листами сжимают воду с огромной силой, создавая внутреннее давление в несколько гигапаскалей. Такое давление сопоставимо с условиями глубоко в недрах Земли.
Именно это колоссальное давление, а не просто ограниченный объём, заставляет молекулы воды распадаться на ионы значительно активнее. Когда учёные сравнили поведение воды в наноловушке с поведением обычной воды, подвергнутой такому же внешнему давлению, их химическая активность оказалась практически одинаковой. Прежние исследования, вероятно, давали разные результаты, поскольку в них сравнивали системы при разных, хотя и не измеряемых напрямую, давлениях.
Кроме того, на химию воды влияет и материал стенок. Поверхность нитрида бора вступает в химическую связь с образующимися гидроксид-ионами, стабилизируя их и облегчая дальнейший распад молекул воды. Графен, будучи химически инертным, такого эффекта не оказывает. Таким образом, материал нанопоры может активно управлять химическими реакциями.
Результаты работы меняют подход к проектированию наноустройств. Для управления химической активностью воды следует концентрироваться не только на размере пор или каналов, но и на давлении, которое они создают, а также на химических свойствах их поверхностей. Эти выводы могут найти применение при разработке топливных элементов, аккумуляторов, ион-селективных мембран и каталитических систем.
