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.
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.
Наука
Антон Бугайчук
