Результати комп'ютерного моделювання показали, що вода всередині вуглецевих і борнітридних нанотрубкок діаметром близько одного нанометра може формувати впорядковану структуру, теж з циліндричною геометрією. Кожен переріз цих водних нанотрубок має форму квадрата і складається з чотирьох молекул води. Такі ланцюжки можна розглядати як почесний лід і використовувати їх для перетворення вуглецевих нанотрубок на своєрідні наноконденсатори, пишуть вчені в.
Вуглецеві нанотрубки - це згорнуті в циліндр аркуші графена - гексагональні листи з атомів вуглецю товщиною в один атом. Діаметр цих циліндрів зазвичай дуже маленький - від декількох ангстрем до декількох нанометрів. Тому, якщо помістити вуглецеву нанотрубку у воду, то якась кількість молекул води туди, звичайно, влізе, але буде їх там зовсім небагато - всього кілька штук у кожному перерізі циліндра. Через те, що цих молекул там мало, вони шикуються в упорядковану структуру, в якій атоми пов'язані між собою ковалентними або водневими зв'язками. Структура молекул води визначає і властивості нанотрубки в розчині: наприклад, наскільки добре вона буде пропускати через себе ті чи інші іони - протони або більш великі катіони металів. А від цього безпосередньо залежить і можливість використовувати нанотрубки для створення тих чи інших наноматеріалів.
Відомо, що структура, в яку шикуються молекули води всередині нанотрубки, визначається геометрією системи і тими силами, які діють на них з боку атомів стінок, і таким чином залежить від їх радіусу, але деталі цієї залежності до сьогоднішнього дня залишалися невивченими. Оскільки з достатньою точністю зробити це експериментально практично неможливо, група хіміків з США та Ірану під керівництвом Рузбе Шахсаварі (Rouzbeh Shahsavari) з Університету Райса використовувала для такого дослідження комп'ютерне моделювання, в якому описала виходячи з перших принципів хімічну та електронну структуру води всередині нанотрубок діаметром від 0,8 до 1,2 нанометра.
Виявилося, що залежно від радіусу вуглецевої нанотрубки молекули води дійсно можуть формувати всередині неї різні структури. При цьому якщо діаметр вуглецевих нанотрубок не надто великий (якраз близько одного нанометра), то молекули води всередині них теж збираються в циліндр і утворюють ще одну нанотрубку, водну. На відміну від зовнішньої вуглецевої структури, трубка з води не кругла в перетині, а квадратна, тому що складається з чотирьох молекул. До підвищення стійкості призводить синхронізація вандерваальсового тиску з боку і енергією коливальних фононів у водній структурі.
Аналогічний ефект вчені виявили і в нанотрубках, утворених атомами азоту і бору. Нітрид бора, як і вуглець, може формувати гексагональні решітки, які теж можуть скручуватися в нанотрубки. По своїй геометрії ці трубки дуже схожі на вуглецеві, тому всередині них також можуть виникати квадратні в перетині структури з молекул води. При цьому найбільш стійкі водні ланцюжки утворюються саме всередині нанотрубки з нітрида бору, діаметр якої становить 1,05 нанометра.
За словами вчених, таку водну структуру можна розглядати як свого роду почесний лід, який утворюється незалежно від температури, тому використовувати його можна, наприклад, щоб запасати енергію. Таким чином, змінюючи діаметр нанотрубки, можна робити з неї наноканал для води або наноконденсатор. Автори роботи зазначають, що використовувати такі системи можна, наприклад, при створенні елементів молекулярних машин, які дозволяють дозовано подавати в потрібну точку молекули води, діючи як свого роду молекулярний шприц.
Зараз стежити за зміною молекулярної структури води можна не тільки за допомогою комп'ютерного моделювання, але і завдяки прямим експериментальним вимірюванням. Наприклад, нещодавно фізики з Японії та США розробили подібний метод, заснований на несправжньому рентгенівському розсіянні. А щоб пов'язати локальну структуру води з її макроскопічними властивостями, британські фізики створили модель, в якій молекули рідини описуються як квантові осцилятори, зібрані в розгалужену мережу за допомогою системи водневих зв'язків.