Главная » Статьи » Химики нашли квадратные водные нанотрубки внутри круглых углеродных

Химики нашли квадратные водные нанотрубки внутри круглых углеродных

Farzaneh Shayeganfar et al./ Langmuir, 2018

Результаты компьютерного моделирования показали, что вода внутри углеродных и борнитридных нанотрубкок диаметром около одного нанометра может формировать упорядоченную структуру, тоже с цилиндрической геометрией. Каждое сечение этих водных нанотрубок имеет форму квадрата и состоит из четырех молекул воды. Такие цепочки можно рассматривать как двумерный лед и использовать их превращения углеродных нанотрубок в своеобразные наноконденсаторы, пишут ученые в Langmuir.

Углеродные нанотрубки представляют собой свернутые в цилиндр листы графена — гексагональные листы из атомов углерода толщиной в один атом. Диаметр этих цилиндров обычно очень маленький — от нескольких ангстрем до нескольких нанометров. Поэтому, если поместить углеродную нанотрубку в воду, то какое-то количество молекул воды туда, конечно, влезет, но будет их там совсем немного — всего несколько штук в каждом сечении цилиндра. Из-за того, что этих молекул там мало, они выстраиваются в упорядоченную структуру, в которой атомы связаны между собой ковалентными или водородными связями. Структура молекул воды определяет и свойства нанотрубки в растворе: например, насколько хорошо она будет пропускать через себя те или иные ионы — протоны или более крупные катионы металлов. А от этого напрямую зависит и возможность использовать нанотрубки для создания тех или иных наноматериалов.

Известно, что структура, в которую выстраиваются молекулы воды внутри нанотрубки, определяется геометрией системы и теми силами, которые действуют на них со стороны атомов стенок, и таким образом зависит от их радиуса, но детали этой зависимости до сегодняшнего дня оставались неизученными. Поскольку с достаточной точностью сделать это экспериментально практически невозможно, группа химиков из США и Ирана под руководством Рузбе Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) из Университета Райса использовала для такого исследования компьютерное моделирование, в котором описала исходя из первых принципов химическую и электронную структуру воды внутри нанотрубок диаметром от 0,8 до 1,2 нанометра.

Оказалось, что в зависимости от радиуса углеродной нанотрубки молекулы воды действительно могут формировать внутри нее различные структуры. При этом если диаметр углеродных нанотрубок не слишком велик (как раз порядка одного нанометра), то молекулы воды внутри них тоже собираются в цилиндр и образуют еще одну нанотрубку, водную. В отличие от внешней углеродной структуры, трубка из воды не круглая в сечении, а квадратная, потому что состоит из четырех молекул. К повышению устойчивости приводит синхронизация вандерваальсового давления со стороны и энергией колебательных фононов в водной структуре.

Аналогичный эффект ученые обнаружили и в нанотрубках, образованных атомами азота и бора. Нитрид бора, как и углерод, может формировать гексагональные решетки, которые тоже могут скручиваться в нанотрубки. По своей геометрии эти трубки очень похожи на углеродные, поэтому внутри них также могут возникать квадратные в сечении структуры из молекул воды. При этом наиболее устойчивые водные цепочки образуются именно внутри нанотрубки из нитрида бора, диаметр которой составляет 1,05 нанометра.

По словам ученых, такую водную структуру можно рассматривать как своего рода двумерный лед, который образуется вне зависимости от температуры, поэтому использовать его можно, например, чтобы запасать энергию. Таким образом, меняя диаметр нанотрубки, можно делать из нее наноканал для воды или наноконденсатор. Авторы работы отмечают, что использовать такие системы можно, например, при создании элементов молекулярных машин, которые позволяют дозированно подавать в нужную молекулы воды, действуя как своего рода молекулярный шприц.

Сейчас следить за изменением молекулярной структуры воды можно не только с помощью компьютерного моделирования, но и благодаря прямым экспериментальным измерениям. Например, недавно физики из Японии и США разработали подобный метод, основанный на неупругом рентгеновском рассеянии. А чтобы связать локальную структуру воды с ее макроскопическими свойствами, британские физики создали модель, в которой молекулы жидкости описываются как квантовые осцилляторы, собранные в разветвленную сеть с помощью системы водородных связей.

Александр Дубов