Ученые Сколтеха в сотрудничестве с исследователями Штутгартского университета, Технологического института Карлсруэ и Российского квантового центра провели первые систематические экспериментальные измерения электропроводности приповерхностного слоя воды и получили новые данные, существенно расширяющие имеющиеся знания о чистой воде вблизи границы раздела сред. Результаты исследования опубликованы в ведущем профильном журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Знания о приповерхностном слое воды используются повсеместно. От его свойств зависит работа биологических систем, эффективность электрохимических устройств, технологий хранения пищевых продуктов, климатические процессы и многие другие явления. Прямые измерения физико-химических характеристик приповерхностного слоя воды – крайне трудоемкая задача, поэтому для полного понимания ее особенностей и свойств предстоит провести еще немало исследований.
Результаты, полученные учеными из Центра энергетических технологий Сколтеха в сотрудничестве с немецкими исследователями, дают новое, более детальное представление о поведении сложных жидкостей. Обнаруженные электрические свойства приповерхностного слоя воды повлияют на дальнейшее развитие электрохимических систем генерации и хранения электроэнергии.
«Мы создали из наночастиц алмаза керамический материал с открытой пористой структурой и заполнили его водой. Постепенно уменьшая размер пор с 500 нм до 5 нм, мы увеличили объемную долю поверхностного слоя воды по отношению к остальному объему воды в порах до максимального значения, при котором отмечалась аномально высокая протонная проводимость на постоянном токе, на пять порядков превышающая проводимость объемной воды. По нашим расчетам, необычайно высокий уровень проводимости является собственным свойством приповерхностного слоя воды, поскольку мы показываем, что химические свойства поверхности существенного влияния на протонную проводимость не оказывают», – объяснил старший научный сотрудник Сколтеха Василий Артёмов из научной группы профессора Хенни Уэрдана.
«Проблема изучения свойств приповерхностного слоя воды представляет огромный интерес для широкого круга специалистов, включая физиков, электрохимиков, климатологов, геологов, биологов и т.д. Мы ожидаем, что представленные нами результаты будут иметь ценность для многих областей науки и техники, например, электрохимических энергетических систем, разделительных мембранных технологий и нанофлюидики», – отметил Хенни Уэрдан.
*****
Исследование проводилось в сотрудничестве со специалистами двух немецких университетов (Штутгартский университет и Технологический институт Карлсруэ) под руководством д-ра Василия Артёмова, который работает в Сколтехе в составе исследовательской группы профессора Хенни Уэрдана с ноября 2018 года. Благодаря активной поддержке со стороны института, проф. Уэрдану и д-ру Артёмову удалось в короткие сроки не только спроектировать и создать в Центре энергетических технологий Сколтеха лабораторный комплекс для исследования диэлектрических свойств материалов, но и получить научные результаты мирового уровня. В настоящее время лабораторный комплекс используют российские и иностранные студенты, выполняющие небольшие исследовательские проекты в рамках программы Global Campus. Новый лабораторный комплекс позволяет выполнять проекты в областях физической химии, материаловедения и биологии, а также на стыке этих наук. Профессор Уэрдан и д-р Артёмов нацелены на дальнейшее развитие направления широкополосной диэлектрической спектроскопии материалов.
