Термодинамика воды в наноканалах отличается от обычной

Термодинамика воды, находящейся при очень низких температурах в каналах наноразмера, может сильно отличаться от обычной. Разработка теории этого явления может иметь важные приложения в задачах криогенного сохранения стволовых клеток и других живых систем при температурах меньших −100°C.

Вода - весьма необычная жидкость. Одной из ее особенностей является повышение теплоемкости при уменьшении температуры. Это свойство воды активно используется нашим организмом для регулирования температуры тела. Когда же вода находится в переохлажденном состоянии, то есть остается жидкостью при таких температурах, при которых она должна кристаллизоваться, число связанных с ней аномальных явлений увеличивается.

Команда исследователей, возглавляемая Гьянкарло Францисом (Giancarlo Franzese), исследовала поведение слоя воды толщиной примерно в три молекулы. Эксперименты с переохлажденной жидкостью да еще и в наномасштабах - вещь сложная, и физики использовали компьютерную модель, воспроизводящую поведение отдельных молекул. Слой молекул воды был заключен (виртуально) между двумя водоотталкивающими (гидрофобными) пластинами. Также физики добавляли в воду гидрофобные наночастичицы в различных концентрациях.

Компьютерная модель повела себя неожиданным образом. При отличных от нуля количествах наночастиц сжимаемость воды и коэффициент температурного расширения значительно уменьшились. Даже при концентрациях гидрофобных частиц всего 2,4% уменьшение значений этих параметров составило 90% по сравнению с "чистой" водой.

По мнению Гьянкарло, эти результаты показывают, что термодинамика воды, находящейся в наномасштабных каналах, сильно отличается от "нормальной". Возможно стоит выделять не одну, а несколько различных жидких фаз этой загадочной жидкости.

Работа была опубликована учеными в Physical Review Letters.