Как разгадывают «великие тайны воды»

В авто­ри­тет­ных науч­ных жур­на­лах за послед­нее вре­мя вышло сра­зу несколь­ко ста­тей, объ­яс­ня­ю­щих «ано­маль­ные» свой­ства воды. «Ано­маль­ные» — не в смыс­ле «памя­ти» и про­чих, увы, попу­ляр­ных заблуж­де­ний о воде. Про­сто во мно­гих слу­ча­ях вода ведет себя не так, как дру­гие жид­ко­сти. Без ряда ее «ано­маль­ных» свойств жизнь была бы невоз­мож­на либо при­ня­ла совсем иной вид. Так, лёд, как извест­но, не тонет в воде, тогда как у подав­ля­ю­ще­го боль­шин­ства про­чих мате­ри­а­лов их твер­дые фазы тонут в жид­ких (в каче­стве исклю­че­ний мож­но назвать еще вис­мут и гал­лий). Всё это поз­во­ля­ет рыбам и дру­гим вод­ным суще­ствам пере­жи­вать зиму под ледя­ной кор­кой. Обыч­но тела при нагре­ва­нии рас­ши­ря­ют­ся, а при охла­жде­нии сжи­ма­ют­ся, но с водой про­ис­хо­дит нечто кон­трин­ту­и­тив­ное. Если при осты­ва­нии от тем­пе­ра­ту­ры кипе­ния до +4 ºС она, как и поло­же­но, сжи­ма­ет­ся (плот­ность уве­ли­чи­ва­ет­ся, дости­гая мак­си­му­ма), то при охла­жде­нии ниже +4 ºС она, наобо­рот, рас­ши­ря­ет­ся (плот­ность умень­ша­ет­ся). У воды высо­кая теп­ло­ем­кость, бла­го­да­ря чему она мед­лен­но акку­му­ли­ру­ет теп­ло и мед­лен­но его отда­ет, зна­чи­тель­но влияя на кли­мат, делая его мяг­че. При­чем сама теп­ло­ем­кость рас­тет при охла­жде­нии ниже +35 ºС. Боль­шин­ство этих свойств объ­яс­ня­ет­ся спо­соб­но­стью моле­ку­лы воды обра­зо­вы­вать четы­ре водо­род­ные свя­зи. Такие свя­зи воз­ни­ка­ют, когда круп­ный элек­тро­от­ри­ца­тель­ный атом (вро­де кис­ло­ро­да одной моле­ку­лы воды) при­тя­ги­ва­ет водо­род дру­гой моле­ку­лы. Внут­ри моле­ку­лы водо­род H и кис­ло­род О соеди­не­ны кова­лент­ны­ми свя­зя­ми — они делят­ся неспа­рен­ны­ми элек­тро­на­ми, созда­вая общую элек­трон­ную пару. Водо­род­ная связь при­мер­но на одну деся­тую носит кова­лент­ный харак­тер, в основ­ном же она воз­ни­ка­ет за счет элек­тро­ста­ти­че­ских вза­и­мо­дей­ствий меж­ду водо­ро­дом и элек­тро­от­ри­ца­тель­ным ато­мом.

Молекула воды создает четыре водородные связи с другими молекулами. Две связи создает кислород и по одной — атомы водорода. Изображение: А. Калиничев
Моле­ку­ла воды созда­ет четы­ре водо­род­ные свя­зи с дру­ги­ми моле­ку­ла­ми. Две свя­зи созда­ет кис­ло­род и по одной — ато­мы водо­ро­да. Изоб­ра­же­ние: А. Кали­ни­чев

Обыч­но высо­кую теп­ло­ем­кость воды объ­яс­ня­ют необ­хо­ди­мо­стью раз­ры­ва водо­род­ных свя­зей для пре­вра­ще­ния в пар. Физи­ки Андерс Ниль­сон и Ларс Пет­тер­сон из Сток­гольм­ско­го уни­вер­си­те­та объ­яс­ня­ют всё на более глу­бо­ком уровне — воз­ник­но­ве­ни­ем в воде локаль­ных неод­но­род­но­стей.

В янва­ре они опуб­ли­ко­ва­ли обзор в Nature Communications [1], поды­то­жив дости­же­ния иссле­до­ва­ний воды за послед­ние несколь­ко лет. Вода на боль­ших мас­шта­бах одно­род­на, но одно­род­на ли она на нано­уровне, если рас­смат­ри­вать ее не ста­ти­че­ски, а дина­ми­че­ски — отсле­жи­вая флук­ту­а­ции меж­ду раз­лич­ны­ми типа­ми обра­зо­вы­ва­ю­щих­ся струк­тур? Таким вопро­сом преж­де все­го зада­лись уче­ные. И выяс­ня­ет­ся, что вода вплоть до кипе­ния локаль­но неод­но­род­на, в ней как корот­ко­жи­ву­щие флук­ту­а­ции могут обра­зо­вы­вать­ся струк­ту­ры низ­ко­плот­ной воды (НПВ), в кото­рой моле­ку­лы пред­по­чи­та­ют соби­рать­ся в кла­сте­ры, сла­бо­свя­зан­ные меж­ду собой, и более одно­род­ной высо­ко­плот­ной воды (ВПВ). Одна из самых амби­ци­оз­ных целей мно­гих иссле­до­ва­ний воды состо­ит в поис­ке вто­рой кри­ти­че­ской точ­ки, «кри­ти­че­ской точ­ки „жид­кость — жид­кость“», где исчез­нет грань меж­ду опи­сан­ны­ми дву­мя типа­ми воды. Напом­ним, что в обыч­ной кри­ти­че­ской точ­ке (око­ло +374 ºС при дав­ле­нии 22 МПа) исче­за­ют раз­ли­чия меж­ду газо­об­раз­ной и жид­кой фаза­ми.

Сравнение поведения плотности, сжимаемости и теплоемкости воды (сплошная линия) и обычной жидкости. Плотность после +4 ºС убывает, тогда как у обычной жидкости растет, со сжимаемостью и теплоемкостью ситуация обратная. Изображение: Nature
Срав­не­ние пове­де­ния плот­но­сти, сжи­ма­е­мо­сти и теп­ло­ем­ко­сти воды (сплош­ная линия) и обыч­ной жид­ко­сти. Плот­ность после +4 ºС убы­ва­ет, тогда как у обыч­ной жид­ко­сти рас­тет, со сжи­ма­е­мо­стью и теп­ло­ем­ко­стью ситу­а­ция обрат­ная. Изоб­ра­же­ние: Nature

В сво­ем обзо­ре уче­ные постро­и­ли наи­бо­лее пол­ную на дан­ный момент фазо­вую диа­грам­му воды с уче­том воз­мож­ной вто­рой кри­ти­че­ской точ­ки. Если воду охла­ждать ниже 0 ºС — сде­лать ее пере­охла­жден­ной, — то флук­ту­а­ции меж­ду типа­ми воды будут нарас­тать, закан­чи­ва­ясь их сли­я­ни­ем в этой точ­ке. Пред­по­ло­жи­тель­но, она нахо­дит­ся в рай­оне –45 ºС, но охла­дить воду уда­ет­ся лишь до –42 ºС, когда она начи­на­ет спон­тан­но замер­зать. Тем­пе­ра­ту­ру еще ниже, где-то –196 ºС, мож­но полу­чить сверх­быст­рым охла­жде­ни­ем, мил­ли­он гра­ду­сов в секун­ду, но про­во­дить такие иссле­до­ва­ния крайне затруд­ни­тель­но из-за мгно­вен­но­го замер­за­ния воды. Линия фазо­во­го пере­хо­да ВПВ и НПВ сов­па­да­ет с лини­ей Видо­ма, на кото­рой флук­ту­а­ции обо­их типов воды дости­га­ют мак­си­му­ма. Линия долж­на окан­чи­вать­ся на вто­рой кри­ти­че­ской точ­ке.

Высо­ко­плот­ная вода суще­ству­ет как раз со сто­ро­ны линии Видо­ма, отве­ча­ю­щей обыч­ным для окру­жа­ю­щей сре­ды тем­пе­ра­ту­рам. Дан­ный факт объ­яс­ня­ет, поче­му зача­стую такая струк­ту­ра, с вкрап­ле­ни­я­ми кла­сте­ров низ­ко­плот­ной воды, и наблю­да­ет­ся в экс­пе­ри­мен­тах. При охла­жде­нии вода при­бли­жа­ет­ся к линии Видо­ма, нарас­та­ют флук­ту­а­ции, из-за чего и воз­ни­ка­ют назван­ные нами «ано­маль­ны­ми» свой­ства.

С дру­гой сто­ро­ны, зона высо­ких флук­ту­а­ций дохо­дит до тем­пе­ра­ту­ры +47 ºС, при кото­рой сжи­ма­е­мость воды мини­маль­на. То есть все живые орга­низ­мы, кро­ме осо­бо теп­ло­лю­би­вых существ, нахо­дят­ся в «ано­маль­ной» обла­сти фазо­вой диа­грам­мы, ока­зав­шей зна­чи­тель­ное вли­я­ние на раз­ви­тие жиз­ни.

Фазовая диаграмма воды. Область аномальных свойств находится от –42 ºС (хотя скорее всего еще ниже) до +47 ºС. В эти рамки попадает почти вся земная жизнь. ВПВ находится со стороны линии Видома при больших температурах и давлениях, чем НПВ. Изображение: Nature
Фазо­вая диа­грам­ма воды. Область ано­маль­ных свойств нахо­дит­ся от –42 ºС (хотя ско­рее все­го еще ниже) до +47 ºС. В эти рам­ки попа­да­ет почти вся зем­ная жизнь. ВПВ нахо­дит­ся со сто­ро­ны линии Видо­ма при боль­ших тем­пе­ра­ту­рах и дав­ле­ни­ях, чем НПВ. Изоб­ра­же­ние: Nature

Вни­ма­ние в обзо­ре уде­ли­ли так­же рабо­те 2014 года [2], авто­ры кото­рой достиг­ли тем­пе­ра­ту­ры воды на 5 ºС ниже преды­ду­ще­го рекор­да в –42 ºС. Прав­да, толь­ко для мик­рон­ных капель и толь­ко на несколь­ко мгно­ве­ний, за кото­рые успе­ли снять дифрак­ци­он­ную кар­ти­ну струк­ту­ры. Для охла­жде­ния воды исполь­зо­ва­ли Линей­ный источ­ник коге­рент­но­го све­та (Linac Coherent Light Source — LCLS) — лазер, рабо­та­ю­щий на жест­ком рент­ге­нов­ском излу­че­нии, один из самых мощ­ных в мире. Экс­пе­ри­мент пока­зал, что при такой тем­пе­ра­ту­ре основ­ной состав — как раз низ­ко­плот­ная вода, близ­кая по струк­ту­ре ко льду.

Сра­зу после обзо­ра в том же жур­на­ле вышла ста­тья Дани­э­ля Элто­на и Мари­ви Фер­нан­де­са-Сер­ра из Уни­вер­си­те­та Сто­уни-Брук [3], пока­зав­ших, что вода при нор­маль­ных усло­ви­ях куда боль­ше похо­жа на лёд, чем счи­та­лось. Вполне воз­мож­но, что это озна­ча­ет бóль­шую долю НПВ. Уче­ные пред­по­ло­жи­ли, что пики из инфра­крас­но­го спек­тра воды, кото­рых в тео­рии быть не долж­но, созда­ют фоно­ны. Вооб­ще-то фонон — кон­цеп­ция из физи­ки твер­до­го тела, квант коле­ба­ния ато­мов решет­ки. В моде­ли иссле­до­ва­те­лей моле­ку­лы воды обра­зу­ют длин­ные цепоч­ки, скреп­лен­ные водо­род­ны­ми свя­зя­ми, в кото­рых могут рас­про­стра­нять­ся попе­реч­ные фоно­ны, созда­вая те самые ано­маль­ные пики. Полу­чи­лись буд­то кру­пи­цы льда в воде.

В дру­гой важ­ной рабо­те [4] мето­да­ми моле­ку­ляр­ной дина­ми­ки иссле­до­ва­лась, наобо­рот, сверх­кри­ти­че­ская вода — взя­тая при усло­ви­ях выше кри­ти­че­ской точ­ки. Такое веще­ство обла­да­ет высо­кой плот­но­стью, близ­кой к обыч­ной воде, низ­кой вяз­ко­стью, у него нет поверх­ност­но­го натя­же­ния. Сверх­кри­ти­че­ская вода так­же делит­ся на высо­ко­плот­ную, про­яв­ля­ю­щую более «жид­кие» свой­ства, и низ­ко­плот­ную с боль­ше «газо­вы­ми» свой­ства­ми, раз­де­лен­ные лини­ей Видо­ма. Моле­ку­лы H2O соби­ра­ют­ся в кла­сте­ры, несвя­зан­ные друг с дру­гом водо­род­ны­ми свя­зя­ми, и плот­ность зави­сит от раз­ме­ров кла­сте­ров. Важ­ное след­ствие из рабо­ты — постро­е­ние тео­ре­ти­че­ско­го тера­гер­це­во­го спек­тра, на кото­рый смо­гут ори­ен­ти­ро­вать­ся экс­пе­ри­мен­та­то­ры. В иссле­до­ва­ни­ях воды оста­ет­ся мно­го слож­ных задач — изу­че­ние сте­пе­ни ее неод­но­род­но­сти, рез­ко­сти гра­ни­цы меж­ду флук­ту­и­ру­ю­щи­ми обла­стя­ми, опре­де­ле­ние вто­рой кри­ти­че­ской точ­ки, иссле­до­ва­ние пове­де­ние при тем­пе­ра­ту­рах ниже –42 ºС, — одна­ко сла­жен­ное вза­и­мо­дей­ствие экс­пе­ри­мен­таль­ных, тео­ре­ти­че­ских и вычис­ли­тель­ных мето­дик, раз­вив­ше­е­ся сей­час, дает надеж­ду на реше­ние мно­гих из них.

Олег Фея,
аспи­рант МФТИ, сотруд­ник лабо­ра­то­рии ком­пью­тер­но­го дизай­на мате­ри­а­лов

1. Nilsson A., Pettersson L. G. M. The structural origin of anomalous properties of liquid water /​/​Nature Communications(2015) www.nature.com/ncomms/2015/151208/ncomms9998/full/ncomms9998.html

2. Sellberg J. A. et al. Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature. Nature(2014) — www.nature.com/nature/journal/v510/n7505/abs/nature13266.html

3.Elton D. C., Fernández-Serra М. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nature Communications (2016) — www.nature.com/ncomms/2016/160104/ncomms10193/full/ncomms10193.html

4. Śmiechowski М., Schran С., Forbert H, Marx D. Correlated Particle Motion and THz Spectral Response of Supercritical Water. Phys. Rev. Lett.(2016) — http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.027801

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
1 Цепочка комментария
2 Ответы по цепочке
3 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
adminresКатя Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Катя
Катя

»«Ано­маль­ные» — не в смыс­ле «памя­ти» и про­чих, увы, попу­ляр­ных заблуж­де­ний о воде.
А где мож­но почи­тать о появ­ле­нии и раз­ру­ше­нии таких мифов, осо­бен­но про память инте­ре­су­ет? Кто помо­жет — спа­си­бо.

res
res

Если набрать в гуг­ле – память воды, не знаю как по пово­ду раз­ру­ше­ния, но отно­си­тель­но появ­ле­ния тако­вых мифов, инфор­ма­ции более чем доста­точ­но ))

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: