Японцы разобрались в причинах уникальности свойств воды — Naked Science
27.03.2018
Редакция
1

Японцы разобрались в причинах уникальности свойств воды

Ученые Токийского университета подробно изучили строение воды как жидкости и выяснили, что ее свойства зависят от соотношения двух фазовых состояний.

330900
©Wikipedia

Все знают, что свойства воды отличаются от большинства жидкостей: она расширяется при замерзании (поэтому лед легче), при сжатии снижается ее вязкость и так далее. Эти, казалось бы, аномальные свойства нам еще в школе объясняют наличием водородных связей между молекулами. Однако подробности пока мало изучены, хотя тема крайне важна и для химии, и для физики. Специфические свойства воды также используют в медицине и технических дисциплинах.

 

В Институте промышленных наук Токийского университета смогли продвинуться в понимании феномена строения воды.

 

Вода в жидком состоянии образует тетраэдрические структуры локального характера, которые формируются при помощи водородных связей, — это известно давно. Японские ученые определили, что вода — не просто «неупорядоченная вода», в которой плавают «частицы» «тетраэдрической воды»: система имеет диаграмму состояния, аналогичную твердым фазам.

 

Разработана модель, которая рассматривает жидкую воду как систему, состоящую из двух фаз. Первая — неупорядоченное состояние с высокой вращательной симметрией. Проще говоря, это отсутствие какой-либо определенной закономерности в «направлениях» молекул в жидкости. Вторая фаза не просто упорядочена тетраэдрально, но и термодинамически находится в неравновесном состоянии. Взаимодействие этих состояний описывается параметром лямбда (λ), физический смысл которого — оценка относительной силы межмолекулярных взаимодействий парного и тройного характера. То есть обычного, между двумя свободными молекулами, и между молекулами, составляющих тетраэдрическую структуру. Соответственно, рост параметра λ указывает на увеличение упорядоченности системы.

 

Эта модель выглядит простой, но хорошо предсказывает аномальное поведение воды как жидкости.

 

Один из руководителей исследования Джон Руссо поясняет: «…С увеличением λ тетраэдрические оболочки, образующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергетически более стабильными». Тем самым компенсируются затраты энергии на упорядочивание структуры в целом. Ученые, изменяя λ, смоделировали диаграммы фазовых состояний, строение которых может быть весьма неожиданным. Так, на рисунке слева изображена структура воды типа Si34 — она образуется при отрицательном давлении. При этом ее строение — клатратное, то есть, по сути, является соединением включения: часть молекул воды находится в полостях структуры, образованной другими ее молекулами.

 

 

Изображение структуры воды в фазовом состоянии Si34 (слева) и фазовая диаграмма в координатах λ/давление (справа) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

 

Выявленная зависимость не линейная, максимальное влияние на свойства воды происходит при λ = 23,15.

 

Хадзиме Танака, один из руководителей проекта, отметил важную роль исследования для физической химии.

 

Связь макроскопических параметров, таких как вязкость, с микроскопическими структурами, произведенная при помощи сравнительно простой модели, — действительно важное достижение. С практической точки зрения понимание структуры воды должно помочь разработкам эффективных фильтров для тонкой очистки.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
6 часов назад
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

6 часов назад
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

Вчера, 20:57
Илья Ведмеденко

По словам космонавта Олега Новицкого, на новом российском модуле «Наука» незапланированно включились двигатели.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

28.03.2018
-
0
+
Ну все, теперь все понятно
Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: