Ледяные кристаллы внутри нанотрубок

Наступил Новый год. К сожалению, зима никак не может прийти в наши широты, и сейчас мы можем видеть гексагональные структуры, образующиеся при замерзании воды только на новогодних открытках и плакатах. Однако ледяные кристаллы, предсказанные в результате квантово-химических расчетов, проведенных в исследовательской группе Ксиао Ченг Зенга (Xiao Cheng Zeng) из Университета Небраска кажутся не менее ажурными и привлекательными, чем снежинки.

Вид по продольной оси двухстенного кристалла нано-льда, формирующегося при давлении 500 МПа.

Структуры, подобные изображенным на рисунке, образуются при замерзании воды при высоком давлении внутри углеродных нанотрубок. Малый диаметр и гидрофобная поверхность стен нанотрубок существенно ограничивает сеть водородных связей в кристалле льда, заставляя воду подстраиваться под новые условия. В последнее время было зафиксировано несколько форм необычного «трубчатого» льда, образующегося при нормальном атмосферном давлении внутри нанотрубок.

Исходя из того, что обычный лед трансформируется в более сложную и плотную структуру при сжатии, Зенг и его коллеги предположили, что лед, сжимающийся внутри нанотрубки, снабженной своеобразными «заглушками» с обоих концов, должен сформировать интересные и новые варианты кристаллов.

Исследователи из Небраски провели квантово-химические расчеты для четырех углеродных нанотрубок с диаметром от 1.35 до 1.9 нанометров с различным шагом спирали углеродных шестиугольников в стенках трубки. Расчеты показали существование шести различных фазовых состояний нано-льда при давлениях до четырех миллиардов Паскалей (около 40000 атмосфер).

В общем случае молекулы воды самоорганизуются в концентрические оболочки таким образом, что водородные связи удерживают в целостности молекулы воды в пределах каждой оболочки. Некоторые из предсказанных надмолекулярных структур спиралевидны: одна из структур образована двумя спиралевидными оболочками – внутренняя представляет собой спираль, образованную четырьмя водородно-связанными «жгутами», внешняя – серия четырех двухспиральных «жгутов».

Самая большая из исследованных нанотрубок настолько широка, что может предоставить «жизненное пространство» для трехоболочечной наноструктуры льда. Внешняя оболочка такой наноструктуры состоит из восемнадцати спиралевидных «жгутов», а две внутренние содержат по шесть «жгутов».

Обнаружение столь большого количества новых типов организации твердых фаз обычной воды в сравнительно близких условиях кристаллизации позволяет предположить, что лед может организовывать уникальную самонастройку под практически любое наноразмерное окружение. Это обстоятельство существенно отличает воду, например, от металлов, которые внутри нанотрубок просто кристаллизуются в компактные кристаллы. Зенг планирует выяснить, будет ли жидкая вода, помещенная в полость нанотрубки, также проявлять необычные свойства.

Источник: Proc. Natl. Acad. Sci. 2006