Как показывают исследования японских ученых, внутри одностенных углеродных нанотрубок при комнатной температуре могут существовать "ледяные" нанотрубки.

Рис.1. Виды "ледяных" нанотрубок.

Вода обязательно присутствует во всех живых организмах и, порой, вода оказывается "ограничена" в очень малом объеме. Например, около 20 % массы биологических мембран (толщиной 5-10 нм), регулирующих обмен веществ между клетками и средой, а также между отсеками внутри клеток, составляет прочносвязанная вода. Поэтому исследование свойств воды в таких условиях привлекает внимание ученых. Ученые ожидали, что физические свойства воды в нанообъеме могут оказаться совсем другими, но изучать их еще недавно было очень сложно.

Однако ситуация упростилась с появлением уникальных наноконтейнеров – углеродных нанотрубок. Моделирование с использованием метода молекулярной динамики позволило показать, что молекулы воды не только могут проникать в гидрофобные каналы открытых одностенных углеродных нанотрубок, помещенных в резервуар с водой, но и двигаться по ним. Внутри нанотрубки диаметром 0.8 нм и длиной 1.34 нм молекулы воды образуют одномерно упорядоченные цепочки из примерно 5 молекул, связанных сильной водородной связью. Флуктуации плотности вне нанотрубки приводят к высоко согласованному, но быстрому "дрейфу" молекул воды вдоль оси нанотрубки, приводящему к импульсным выбросам воды. Разрыв цепочки энергетически невыгоден и происходит крайне редко. Полученные результаты важны для понимания некоторых биологических процессов, а также могут быть использованы при создании определенных типов сенсоров.

Немного позже появились сообщения о заполнении водой (из паровой фазы) одностенных углеродных "нанорожек" при 303 К. Внутреннее пространство становится доступным после обработки образцов в чистом кислороде при 693 К. Такое оксидирование открывает концы нанорожек и создает "окна" в стенках. Адсорбция водяного пара начинается на активных центрах, обусловленных, по мнению авторов, функциональными кислородными группами. Затем адсорбированные молекулы действуют как вторичные центры, на которых растут кластеры воды до тех пор, пока не достигают критического размера (пяти молекул). Общая сорбционная емкость связана с пористой структурой одностенных углеродных нанорожек (как внутреннего, так и промежуточного пространства). Возможность контролируемого заполнения одностенных углеродных нанорожек водой открывает новые возможности для изучения фазовых переходов воды в ограниченном гидрофобном пространстве. Extyst предположили, что при достаточно сильном охлаждении воды, ограниченной внутри нанопространства, возможно образование высокоплотного аморфного льда.

Рис.2. Ледяная нанотрубка внутри углеродной нанотрубки.

Совсем недавно японские ученые показали, что "ледяные" нанотрубки внутри одностенных углеродных нанотрубок существуют даже при комнатной температуре и давлении ниже атмосферного. Данные по рентгеновской дифракции получены с использованием синхротронного излучения. Исследователи изучили шесть образцов нанотрубок, средние диаметры которых составляли 1.17; 1.30; 1.34; 1.35; 1.38; 1.44 нм. Одностенные углеродные нанотрубки были запаяны в кварцевые трубки (диаметром 0.7 мм и длиной 20 мм) с парами воды. Давление воды при температуре выше 300 К было принято равным давлению насыщенного пара при комнатной температуре (27 торр.), так как один конец трубки всегда находился при 300 К. Измерения проводили в температурном диапазоне от 90 до 360 К. Оказалось, что при пониженных температурах внутри нанорожек образуются трубчатые структуры льда, названные авторами "ледяными" нанотрубками. Их температура плавления зависит от диаметра ледяных нанотрубок. Идентифицировано 4 упорядоченные структуры, приписанные полигональным "ледяным" нанотрубкам. В частности, ледяная нанотрубка диаметром 1.17нм состоит из стопки кольцевых структур из 5 молекул воды (см. рисунки).

Температура плавления ледяной нанотрубки - 300 К! При уменьшении диаметра температура плавления растет от 190 К (восьмиугольные нанотрубки) до 300 К (пятиугольные нанотрубки) без приложения высокого давления. При уменьшении диаметра происходит переход от объемных явлений к явлениям на атомном уровне. Еще один интересный и немаловажный факт – при повышении температуры до 318 К вода мгновенно испаряется из нанотрубки. Этот экзотический эффект может найти и практическое применение.

Источник информации - заметка О.Алексеевой в бюллетене ПерсТ, выпуск 6 за 2005 г.

Е.Онищенко.