Ученые из Китая сделали неожиданное открытие, изучая взаимодействие воды с поверхностью алмаза.
Оказалось, что даже при комнатной температуре на алмазе формируется тончайший нанослой воды, который по своим свойствам напоминает лед. Результаты исследования были опубликованы в престижном международном журнале Physical Review Letters.
Для проведения эксперимента исследователи использовали уникальные дефекты алмазной решетки, известные как центры азот-вакансий. В таких центрах атомы азота выборочно замещают атомы углерода в кристаллической структуре алмаза. Эти дефекты выступают в роли сверхчувствительных квантовых сенсоров, позволяя ученым изучать поведение молекул на границе между твердой поверхностью и окружающей средой, сообщает Hi-Tech Mail.
Центры азот-вакансий обладают чувствительностью к магнитным сигналам, исходящим от поверхностных молекул. Благодаря этому исследователи смогли различить присутствие воды и органических примесей на поверхности алмаза. Специально разработанный метод анализа магнитно-резонансных спектров с использованием различных изотопных соотношений позволил оценить количество и динамику взаимодействующих молекул.
Ключевым открытием стало обнаружение чрезвычайно жесткой структуры воды на поверхности алмаза, напоминающей лед. Такое состояние обеспечивается так называемыми ненасыщенными связями — электронными узлами на поверхности алмаза, выступающими в роли реактивных точек адсорбции. Эти связи удерживают молекулы воды настолько плотно, что их поведение начинает напоминать твердую фазу, несмотря на то что температура остается близкой к комнатной.
При этом на те же активные участки поверхности претендуют атмосферные органические молекулы. Между водой и примесями возникает конкурентная динамика. Если органические молекулы занимают реактивные площадки, они нарушают упорядоченную структуру водного слоя и снижают его жесткость.
Баланс между ледяной водой и другими адсорбентами на поверхности алмаза имеет важное научное и практическое значение. Понимание этих процессов расширяет наши знания о физико-химических явлениях на твердых поверхностях. Тонкие межфазные слои играют ключевую роль в процессах смачивания, катализа, электрохимии и биологических взаимодействий.
Ученые подчеркивают, что использование квантовых датчиков на основе центров азот-вакансий не только подтвердило существование необычного водного слоя, но и открыло новые возможности для анализа тонких интерфейсов при нормальных условиях. Это может помочь в создании улучшенных сверхтонких двумерных материалов, микромеханических систем и более эффективных катализаторов.
Исследование поведения тонких водных слоев на твердых поверхностях имеет прямое отношение к разработке антиобледенительных покрытий. Ученые создают сверхтонкие пленки, способные задерживать образование льда и уменьшать его сцепление с поверхностью. Понимание адгезии льда к материалам особенно важно для аэрокосмической индустрии, где сильное обледенение может привести к трагическим последствиям.
