Физики открыли новый фазовый переход в воде
Российские ученые представили расчеты и контрольные эксперименты для подтверждения существования сегнетоэлектрического фазового перехода в воде, объясняющего ее аномальные свойства. Это исследование открывает перспективы для создания новых вычислительных моделей водных растворов, что важно для биологических, химических и физико-химических исследований.
Результаты опубликованы в Russian Journal of Physical Chemistry A. Исследование, начатое в начале двухтысячных коллективом ученых из МФТИ с коллегами с целью улучшения компьютерного моделирования лекарств, привело к фундаментальному переосмыслению молекулярного взаимодействия в воде.
Разработанная авторами исследования «векторная модель полярных жидкостей», созданная для ускорения дизайна лекарств, предсказала существование фазового перехода второго рода в жидкой переохлажденной воде в сегнетоэлектрическое состояние при температуре в районе 30-40 °C. Известно, что при приближении к температурам переходов второго рода в веществе возрастают флуктуации его характеристик, что приводит к изменениям его свойств, например плотности. Именно поэтому жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °C.
Ученые переосмыслили роль диполь-дипольного взаимодействия между молекулами воды. Традиционно это взаимодействие считается короткодействующим, то есть значимым только между ближайшими молекулами. Авторы показали, что это предположение неверно.
«До этого исследования считалось, что из-за быстрого спадания с расстоянием диполь-дипольное взаимодействие — короткодействующее. Если исходить из этого, то температура возможного сегнетоэлектрического перехода в воде должна быть примерно около 1500 °C, при которой жидкости не существует. Мы показали, что диполь-дипольное взаимодействие, подобно кулоновскому взаимодействию в плазме, является дальнодействующим, и предсказали сегнетоэлектрический фазовый переход в жидкой воде, который позже и был обнаружен нами в совместной работе с экспериментаторами Г. С. Бордонским и А. О. Орловым из Сибирского отделения РАН при температуре −38 °C, которая попала в предсказанный нами диапазон»,— пояснил Леонид Меньшиков, профессор кафедры общей физики МФТИ.
Физики доказали это фундаментальное утверждение двумя независимыми и математически разными подходами: простой моделью «желе» и методом кольцевых диаграмм, заимствованным из физики плазмы. Ученые вывели формулы для температуры сегнетоэлектрического перехода и предсказали ее зависимость от концентрации водного раствора с полярными растворителями.
Авторы указали контрольный эксперимент, в котором предлагается исследовать водный раствор ацетона, помещенный в нанопористый материал. Молекула ацетона усиливает эффект за счет своего дипольного момента. Кроме того, она не видоизменяется при взаимодействии с молекулами воды, что дает возможность аналитически описать ее поведение в слабом водном растворе. Пористый материал позволяет воде оставаться жидкой при указанных выше довольно низких температурах.
При этом диаметр пор в материалах, выбранных для предложенных в статье опытов, достаточно велик для того, чтобы можно было пренебречь взаимодействием молекул воды с молекулами материала, то есть считать воду объемной. Если в опытах с ростом концентрации ацетона температура сегнетоэлектрического перехода будет снижаться в соответствии с предложенной формулой, это подтвердит утверждение о дальнодействующем характере диполь-дипольного взаимодействия.
Это исследование открывает возможность создания единой теоретической основы для объяснения всех аномальных свойств воды. Учет дальнодействия диполь-дипольного взаимодействия позволит улучшить компьютерное моделирование в биологии, например расчет белков и взаимодействующих с ними лекарственных препаратов в жидких водных растворах, к каковым относится наша кровь. Возможно, что управление температурами сегнетоэлектрического фазового перехода в водных растворах приведет к созданию новых материалов и сенсоров.
В работе участвовали ученые из МФТИ, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.
Telegram 
Дзен 
VK Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Особо чистый германий — полупроводниковый материал с минимальным содержанием примесей, который активно используют в ядерной физике, медицине и оборонной промышленности. Российские ученые предложили новую технологию, позволяющую получить монокристаллы германия особой чистоты.
В конце августа от гренландского ледника Петермана откололся гигантский айсберг площадью более 76 квадратных километров, что сопоставимо с размерами острова Санта-Крус или небольшого города. Это событие стало крупнейшим отколом льда во всей Арктике с 2020 года. Спутниковые снимки зафиксировали, как огромный плавучий «ледяной остров» врезался в скалистый остров Джо и вопреки прогнозам продолжил движение, а не разрушился.
Особо чистый германий — полупроводниковый материал с минимальным содержанием примесей, который активно используют в ядерной физике, медицине и оборонной промышленности. Российские ученые предложили новую технологию, позволяющую получить монокристаллы германия особой чистоты.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Артем Оганов стал иностранным членом Национальной академии наук Республики Армении. В прошлом этой чести также удостоился физик Юрий Оганесян.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Госдолг США достиг 40 триллионов долларов и растет все быстрее и быстрее. На Западе переполох: при таких размерах его не выплатить. Следовательно, полагают многие, надо решить проблему как древние шумеры — долг обнулить и начать занимать заново. Рецепт кажется здравым, но есть нюансы. Причем поучительнее всего они даже не для Штатов, а, как ни странно, именно для России.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно