과학자들은 마침내 단단하고 액체 인 물의 숨겨진 상태를 포착합니다.

흥미롭지 만 잘 이해되지 않은 제한된 물 상태 중 하나를 ‘프리멘트 상태’라고합니다. 이 독특한 단계에서, 물은 마치 동시에 동결 및 녹는 덩어리에있는 것처럼 행동하여 간단한 액체 또는 고체 분류를 무시합니다. 그러나 프리미어 상태 및 기타 제한된 물 역학을 자세히 연구하기가 어렵다는 것이 입증되었습니다. 회절 방법 (예 : X- 선 분석)과 같은 기술은 수소 이외의 원자의 위치를 ​​정확히 찾아내는 데 유용하지만, 수소의 피코 초 규모 회전 운동과 개별 물 분자의 운동을 포착하기에 충분히 민감하지 않습니다.

최근 연구에서, 마코토 타도 코로 교수가 이끄는 연구팀은 루미야 코바야시 (Fumiya Kobayashi) 강사와 일본 도쿄 과학 대학의 화학과의 1 학년 박사 과정 학생들과 함께 갇힌 물의 신비에 새로운 빛을 비췄다. 온라인으로 출판 된 그들의 논문 미국 화학 학회지 2025 년 8 월 27 일, 그들은 분자 결정의 친수성 나노 포어 내에 한정된 물의 계층 적 역학을 관찰하기 위해 정적 고형 상태 중수소 핵 자기 공명 (NMR) 분광법을 사용하여 물에서 관찰되는 새로운 단계 인 프리미어 스테이트를 특성화하는 방법을보고합니다.

그들의 실험을 수행하기 위해, 팀은 약 1.6 nm의 직경이 1.6 nm를 함유 한 준 차원 채널로 육각형 막대와 같은 결정을 생성하고 무거운 물로 채웠다 (D₂영형). 단결정의 NMR 스펙트럼을 측정함으로써 {co (d₂BIM)₃) (TMA) .20D₂영형}_N 실온에서, 연구원들은 함유 된 물 분자에서 계층 적, 3 계층 구조의 존재를 확인할 수 있었다. 스펙트럼에서 관찰 된 독특한 피크는 뚜렷한 움직임 및 제한된 물의 서로와 수소 결합 상호 작용을 갖는 모든 층 구조에 해당하여 다층 구성의 명확한 증거를 제공한다. 또한, 나노 포어에 한정된 물은 벌크 얼음과는 다른 구조로 얼어 붙어 먼저 왜곡 된 수소 결합 구조를 통해 녹아 프리미어 상태의 형성으로 이어진다.

프리미어 상태에 대한 통찰력을 얻기 위해 연구원들은 수정을 저온에서 점차적으로 가열하여 얼어 붙은 상태에서 액체 상태로 물을 얻었습니다. 그들은 Premelting 상태로의 위상 전이를 확인하는 NMR 스펙트럼의 뚜렷한 변화를 관찰했으며, 측정은 두 개의 모순 된 상태의 존재를 보여 주었다. “프리미어 상태는 불완전한 수소 결합 H의 용융을 포함합니다.₂o 가열 과정에서 완전히 얼어 붙은 얼음 구조가 녹기 전에. 그것은 본질적으로 얼어 붙은 h의 신규 한 단계를 구성합니다.₂o 층과 천천히 움직이는 h₂o 공존Tadokoro 교수는 설명합니다.

연구원들은이 새로운 단계에서 헤비 워터 분자의 회전 이동성을 정량화하기 위해 스핀-격자 이완 시간을 측정했습니다. 프리미어 상태에 대한 활성화 에너지는 벌크 얼음의 활성화 에너지와는 거리가 멀지 만 상관 시간은 벌크 액체 물의 상관 시간에 매우 가깝습니다. 간단히 말해서, 이것은 물 분자의 위치가 고체를 기대할 수있는 것처럼 비교적 고정되었지만 회전 운동은 매우 빠르고 액체와 유사하다는 것을 의미합니다.

종합하면, 이러한 발견은 물이 극도의 감금에서 어떻게 행동하는지에 대한보다 포괄적 인 이해를 향해 구축됩니다. 그들은 결정적인 구조적, 역동적 인 측면을 명확히하며, 이는 물과 이온이 생물학적 단백질과 막을 통해 어떻게 침투하는지 이해하는 데 중요합니다. 앞으로 이러한 통찰력은 실질적인 혁신으로 이어질 수 있습니다. “새로운 아이스 네트워크 구조를 만들어 수소 및 메탄과 같은 에너지 가스를 저장하고 인공 가스 수화물과 같은 수성 재료를 개발할 수 있습니다.Tadokoro 교수는 말합니다. 얼음 구조에 기초하여 수질의 동결 특성을 제어하면 새롭고 저렴하며 안전한 수분권 재료가 생성 될 수 있습니다.

전반적으로,이 연구는 궁극적으로 물처럼 일반적인 물질조차도 여전히 잠금 해제를 기다리는 기본 비밀을 가지고 있음을 보여줍니다.

이 작업은 JARAN의 JSPS Kakenhi Grant-In-AID (B) JP23K26672 및 JP23K26672 및 JP23K13767의 JP23K13767을위한 JP23K26672 및 JSP Kakenhi Grant-In-Aid의 지원을 받았습니다.