Andrey Geim i Konstantin Novoselov wymyślili, jak sprawić, by woda „zdechła” i pozbawić ją jej wyjątkowych właściwości rozpuszczania, eksperymentując z najlepszymi „kanapkami” grafitu i azotku boru, wynika z artykułu opublikowanego w czasopiśmie Science.
„Martwa woda” to nie tylko ciekawe zjawisko naukowe, jej odkrycie ma dość specyficzne zastosowania w innych naukach, zwłaszcza w biologii. Pomoże nam zrozumieć, dlaczego woda jest tak ważna dla istnienia życia. Biorąc pod uwagę rolę, jaką woda odgrywa w tworzeniu się cząsteczek białek, możemy powiedzieć, że cienkie warstwy wody są rzeźbiarzami życia w sensie dosłownym i przenośnym”- mówi Andrey Geim z Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania).
Woda, jak wyjaśniają naukowcy, pozostaje dziś jedną z najbardziej tajemniczych substancji na Ziemi. W przeciwieństwie do „sąsiadów” z układu okresowego, połączenie wodoru z tlenem ma nienormalnie wysoką temperaturę wrzenia i zamarzania, niezwykłą pojemność cieplną i zdolność rozpuszczania ogromnej liczby związków organicznych i nieorganicznych.
Ta „umiejętność” wody jest z kolei związana z inną jej fizyczną właściwością - wysokim elektrycznym momentem dipolowym. Mówiąc tym słowem, naukowcy rozumieją, w jaki sposób ładunki dodatnie i ujemne są rozmieszczone w cząsteczce. Cząsteczki wody mają bardzo wysoki moment dipolowy, ponieważ zawarte w nich elektrony są „przyciągane” do atomu tlenu, a dodatnio naładowane atomy wodoru są z nich usuwane.
Naukowcy od dawna zastanawiali się, czy zachowuje te właściwości w przypadkach, gdy cząsteczki wody są ułożone w kilka warstw, czy też zmieniają się w coś zupełnie innego.
Game, Novoselov i ich koledzy z uniwersytetu rozwiązali ten problem, eksperymentując z osobliwymi „kanapkami” złożonymi z ultracienkich płyt grafitowych i dwuwymiarowych warstw azotku boru, o strukturze podobnej do grafenu, za którego odkrycie rosyjsko-brytyjscy fizycy otrzymali Nagrodę Nobla w 2010.
Używając arkusza grafitu jako „podstawy”, naukowcy położyli na nim warstewki azotku boru w taki sposób, że otrzymali rodzaj „domu” z wieloma oddzielnymi „pokojami” o szerokości i wysokości kilkudziesięciu nanometrów. Dzięki temu bardzo mała liczba cząsteczek wody mogła dostać się do takich szczelin, co pozwoliło Geimowi i jego zespołowi bardzo dokładnie zmierzyć ich dielektryczne i inne właściwości fizyczne.
Aby to zrobić, naukowcy przynieśli igłę superczułego mikroskopu sił atomowych do każdego takiego „pokoju” i zaobserwowali, jak dobrze pole elektryczne przenika przez „kanapkę” płaskich materiałów półprzewodnikowych i wody, zmieniając wysokość i szerokość całej tej struktury.
Film promocyjny:
Jak pokazują te obserwacje, właściwości cieczy zmieniły się dramatycznie, gdy grubość jej warstwy zbliżyła się do znaku dwóch nanometrów. W tym przypadku woda stała się „martwa”, straciła swoje niesamowite właściwości dielektryczne i przestała być uniwersalnym rozpuszczalnikiem.
„Wiedzieliśmy, że właściwości cienkich warstw wody będą się bardzo różnić od tego, jak zachowuje się„ normalna”ciecz, ale nie wiedzieliśmy, jak to zrobić. Byliśmy bardzo zaskoczeni, że są naprawdę różne, ale nie w kierunku, w którym się spodziewaliśmy - małe ilości wody miały wyjątkowo niski, niezbyt wysoki stopień polaryzacji”- dodaje Laura Fumagalli, koleżanka Geima.
Takie odkrycie, jak zauważył fizyk rosyjsko-brytyjski, jest bardzo ważne w kontekście badania ewolucji życia i poszukiwań bliźnich, ponieważ cienkie warstwy zrobione z wody mogą odegrać ważną rolę w ewolucji pierwszych złożonych cząsteczek chemicznych, w tym DNA, oraz w życiu pierwszych mieszkańców. Ziemia.