Физики придумали очень тонкий тёплый лёд

Александр Висснер-Гросс (Alexander Wissner-Gross) и Эфимиос Кахирас (Efthimios Kaxiras) из Гарвардского университета (Harvard University) создали компьютерную модель, которая показала, что, если в поверхность алмаза внедрить ионы натрия, на ней тонкий слой льда не растает даже при температуре человеческого тела.

Учёным и ранее удавалось стабилизировать очень тонкие пласты льда (нанодиапазон) при комнатной температуре различными способами. В данном случае лёд – это упорядоченная структура, а его таяние – процесс разупорядочения молекул воды. Но нынешнее теоретическое исследование показало, как данное явление можно применить в практических целях.

Как пишут в своей статье учёные (она опубликована в журнале Physical Review E, её полную версию вы найдёте здесь, PDF-файл, 433 килобайта), такое ледяное покрытие поможет имплантатам лучше прижиться в организме.

Поясним. Часто для защиты имплантатов (сердечного клапана, различных суставных протезов) используется алмазное покрытие, прежде всего из-за своих износоустойчивых свойств. Однако есть у него и недостатки: алмаз способствует свёртыванию крови и истиранию окружающих тканей (способствует больше, чем такие материалы, как титановые сплавы и нержавеющая сталь).

Если же поверхность алмаза химически модифицировать, то нанесённый на неё ледяной слой не растает даже при температуре человеческого тела и небольшом внешнем давлении. Пластичные и гидрофильные слои льда, поддерживаемые в таком состоянии с помощью столь необычного физического явления, предохранят алмазное покрытие от адсорбции протеинов, а окружающие ткани — от истирания.

Висснер-Гросс и Кахирас изучили все существующие методы стабилизации льда на различных поверхностях и пришли к выводу, что лучше всего для сохранения льда при высоких температурах (выше 0 по Цельсию) подходит алмаз.

У него гидрофильная поверхность, он выращивается в различных поликристаллических модификациях (образцы алмазного покрытия можно вырастить достаточно большими по площади), он не подвергается коррозии.

И самое главное — у него минимальное рассогласование параметров кристаллической решётки (всего 2%) с самой распространённой модификацией льда, кристаллизующейся в гексагональной структуре.

Учёные создали компьютерную модель и рассмотрели, как влияет на структуру поверхностного льда подложка из алмаза, в которой часть атомов заменена на ионы натрия (натрий также был выбран неслучайно, подробности читайте в статье).

Модель показала, что взаимодействие ионов натрия и молекул воды противодействует таянию и позволяет сохранить лёд на поверхности даже при комнатной температуре (25 градусов Цельсия). Толщина такого слоя, правда, небольшая — всего 2,6 нанометра (2,2 нанометра при 37 градусах Цельсия), но этого вполне достаточно для создания биологически-совместимого покрытия для находящейся ниже алмазной структуры. Причём средняя температура плавления льда на модифицированной поверхности (она также зависела от ряда условий) оказалась равной 41 градусу Цельсия.

Видео, показывающее, как меняется поведение молекул воды в зависимости от подложки и параметров внешней среды (температуры, например), вы можете посмотреть вот тут (файл MOV, 5,4 мегабайта).

Собственно, заключение о том, происходит ли плавление (таяние) льда или нет, учёные делали, изучая изменение параметра Линдеманна (Lindemann parameter), который они рассчитывали по данным, выдаваемым компьютерной моделью. Если этот параметр сразу после начала моделирования происходящих процессов резко возрастал, то это означало, что структура воды разрушается (лёд тает). Если же его значение не изменяется, то структура стабильна и вода остаётся на поверхности в "замороженном" состоянии.

Читайте также о необычных суперионном и нанотрубочном состояниях воды, а ещё о льде-7 и льде-10, о необычном поведении воды и о том, как учёные предположили, что жидкая вода – это и не жидкость вовсе, а очень пластичный лёд.