Ученые подтвердили наличие мощного электрического поля на границе воздуха и воды: его сила в 100 раз превышает атмосферное давление. Эксперимент в нанотрубке показал, что поле стабилизирует ультратонкие пленки и определяет место протекания реакций — в двух нанометрах от интерфейса.
Пузырьки имеют круглую форму благодаря поверхностному натяжению. Однако вопрос в том, сохраняется ли это правило, если сжать границу между газом и жидкостью до толщины в несколько десятков нанометров. Международная группа ученых попыталась ответить на этот вопрос, используя комбинацию трехмерной просвечивающей электронной микроскопии и силового анализа.
Ожидалось, что граница будет иметь форму сферического мениска, однако наблюдения показали непрерывно изгибающуюся неровную поверхность с водяными пленками толщиной от нескольких до примерно 10 нанометров. Анализ этой геометрии позволил рассчитать силы, действующие на границу. В самых тонких участках сила отталкивания достигала порядка 10 мегапаскалей, что примерно в 100 раз превышает нормальное атмосферное давление.
Классические модели не позволяют объяснить такую силу. Физики связывают ее с возникновением мощного электрического поля, которое создается за счет упорядоченного выравнивания молекул воды на наноограниченной границе раздела. Когда они рассчитали величину поля, необходимую для объяснения наблюдаемой формы, полученные значения совпали с экспериментальными данными.
Дополнительным подтверждением стал химический эксперимент: в ту же систему поместили раствор хлорида золота без добавления восстановителя. Спонтанное образование наночастиц золота произошло строго на расстоянии около двух нанометров от границы раздела воздух–вода. Это позволило точно локализовать зону химической активности, что ранее было затруднительно.
Авторы заявляют, что их работа является в первую очередь методологической. Предложенный подход — герметизация жидкости в нанотрубке, реконструкция 3D-формы интерфейса, расчет сил и подтверждение через локализацию реакций — может быть применен к различным жидкостям, материалам и химическим процессам. При этом ученые отмечают, что эксперименты проводились в условиях жесткого наноограничения, и вопрос о том, насколько эти результаты применимы к свободным системам, остается открытым.
Несмотря на фундаментальный характер работы, она имеет прикладное измерение. В топливных элементах и при электролизе воды, которые рассматриваются как основные технологии для углеродно-нейтральной энергетики, ключевые реакции протекают внутри наноразмерных пор, на многочисленных газо-жидкостных границах. Понимание поведения воды в таких условиях может в перспективе помочь более рационально проектировать пористые материалы для этих устройств.
Читайте также: Искусственный нейрон ЛЭТИ преодолеет «бутылочное горлышко» архитектуры фон Неймана