Физики из Великобритании измерили электрические свойства воды, заключенной между атомарно плоскими кристаллами, и обнаружили, что при уменьшении расстояния между стенками до нанометра она перестает вести себя как обычная жидкость.
В таких узких каналах ее диэлектрическая проницаемость по плоскости выросла до 1000 — значения, характерного для сегнетоэлектриков, — а проводимость достигла нескольких сименсов на метр, как у суперионных жидкостей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Вода в обычных условиях имеет диэлектрическую проницаемость около 80 и проводимость порядка 10-5 сименса на метр. Эти свойства связаны с гибкой сетью водородных связей, которая делает воду универсальным растворителем и важнейшей средой для различных химических реакций. Однако возле твердых поверхностей структура жидкости меняется: молекулы выстраиваются в слои, и водородные связи перестают подчиняться правилам льда. Ранее группа ученых показала, что в узких щелях вода теряет поляризуемость в направлении перпендикулярно поверхности, а ее диэлектрическая проницаемость падает до двух. Что происходит вдоль поверхности, оставалось неясно: предсказания колебались от почти нулевых до гигантских значений.
Чтобы измерить внутриплоскостной отклик, та же группа исследователей под руководством Андрея Гейма (Andre Geim) и Лауры Фумагалли (Laura Fumagalli) из Университета Манчестера создали наноканалы шириной около 200 нанометров и высотой от одного до 60 нанометров из пластин гексагонального нитрида бора и графита. Слой воды между ними изучали с помощью сканирующей диэлектрической микроскопии — метода, в котором острие атомно-силового микроскопа измеряет локальный импеданс материала при частотах от сотен герц до гигагерца. Такая широкополосная спектроскопия позволила разделить вклад проводимости и диэлектрической поляризации.
Оказалось, что пока толщина слоя превышает четыре нанометра, свойства воды почти не меняются. Но когда пространство между стенками сжимается до двух нанометров и меньше, начинается резкий рост диэлектрической проницаемости (ε) и проводимости (σ). При толщине около полутора нанометров — всего четыре-пять молекулярных слоев — вода достигает рекордных значений: ε ≈ 1000 и σ ≈ 3 сименса на метр. Эти величины во много раз превышают проводимость обычной воды и указывают на возможное возникновение в ней сегнетоэлектрических свойств и ускоренного протонного переноса по механизму Гротгуса.
Авторы считают, что столь сильное изменение связано с разрушением регулярной водородной сети: из-за наличия стенок молекулы воды теряют часть связей и могут легче переориентироваться вдоль поверхности, образуя коррелированные домены диполей. В такой дезорганизованной структуре протоны перемещаются почти свободно, что делает квазидвумерную воду одновременно сверхполярной и высокопроводящей для зарядов.
Сопоставив полученные эффекты, ученые показали, что в тонких слоях вода становится чрезвычайно анизотропной — почти металлической вдоль плоскости и почти изоляционной поперек.
Автор: Дмитрий Рудик