Триває вивчення структури води • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Триває вивчення структури води

Молекули води можуть об'єднуватися в невеликі групи – кластери. Їхнє життя швидкоплинне, і тому вони практично не піддаються вивченню. Тільки недавно з'ясувалося, що водні кластери мають більші електричними дипольними моментами (зображення з сайту www.ganil.fr)

Тонкий експеримент однозначно довів, що кластери води мають більші електричними дипольними моментами. Водночас з'ясувалося, що окремі кластери не замерзають навіть при мінус 150 градусах Цельсія. Структура води стає ще більш цікавою, ніж вважалося раніше.

Незважаючи на просту хімічну формулу, вода – речовина з дуже нетривіальними властивостями. Причина цього в тому, що молекули води пов'язані один з одним водневими зв'язками. У рідкому стані вода являє собою не просто мішанину молекул, а складну і динамічно мінливу мережу з водних кластерів. Кожен окремий кластер живе дуже небагато часу, проте саме поведінка кластерів впливає на структуру води.

Властивості і динаміка водних кластерів (H20)n – предмет активних досліджень. На відміну від металевих кластерів з їх фіксованою просторовою структурою,водні кластери розміром від кількох до кількох десятків молекул навіть при температурах нижче кімнатної залишаються рідкими: у таких кластерів є багато рівноправних форм, між якими вони безперервно перескакують.

Така особливість водних кластерів відбивається і на їх електричні властивості. Як відомо вже понад півстоліття, молекула води – полярна. Позитивні і негативні заряди в ній злегка зміщені один щодо одного, і в результаті вона володіє досить великим дипольним моментом і створює навколо себе електричне поле. Якщо взяти дуже багато молекул (наприклад, склянку води), то дипольні моменти окремих молекул компенсує, і сумарне електричне поле зникне, в чому нас переконує і повсякденний досвід. При якому саме числі молекул відбувається цей перехід? Чи володіють самі кластери дипольними моментами?

До сих пір чітких відповідей на ці питання не було. Експериментальні дані, отримані за останні 20 років, суперечили один одному. Головна перешкода полягала в тому, що у всіх цих експериментах вивчалися кластери в товщі води, в їх безпосередній «місці існування».«Витягнути» ж окремий кластер і вивчити його електричні властивості до цих пір не вдавалося.

Експерименти, проведені дослідницькою групою з Університету Південної Каліфорнії, поклали край розбіжностям. Їх результати, опубліковані в недавній статті R. Moro et al., Physical Review Letters, 97, 123401 (18 September 2006), довели, що кластери, що містять від 3 до 18 молекул води, теж володіють великим дипольним моментом.

Вражає експеримент, що дозволив прийти до такого висновку. Герметичний посудину з водою містився у вакуумну камеру і з нього через дуже вузький отвір вода випаровувалася назовні, в вакуум. Отвір мало форму мініатюрного реактивного сопла, і, виходячи через нього, струмінь пари розганяла до надзвукової швидкості. Така схема випаровування, яка уникає нагрівання, дозволяє отримати пар, що складається не тільки з окремих молекул води, але і з різноманітних водних кластерів. Струмінь пари проходила через камеру метрової довжини з неоднорідним електричним полем, злегка відхилялася в електричному полі, а потім потрапляла в мас-спектрограф, який розщеплював її на кілька окремих пучків відповідно до кількості молекул в кластері.За відхилення цівки в електричному полі і вимірювався дипольний момент кластерів.

Безпосереднє вимірювання дипольного моменту кластерів різного розміру вже саме по собі має велике значення для розуміння структури води. Дійсно, виходить, що коли кластери води «складаються» в суцільну середу, вони відчувають один одного не тільки через безпосередній контакт, але і через електричне взаємодія диполів. Однак експеримент каліфорнійських фізиків дозволив визначити не тільки це.

По-перше, дані свідчать про те, що великі кластери (містять більше восьми молекул) електрично більш упорядкованим, ніж маленькі. Цей цікавий перехід ніким не був передбачений, і як його інтерпретувати – поки не відомо. По-друге, експериментаторам вдалося провести досліди в двох різних температурних режимах: коли температура всередині кластерів була близько 200 К (-70 ° C) і близько 120 К (-150 ° C). Деякі теоретичні розрахунки передбачали, що при таких температурах водні кластери повинні вже замерзнути, що сильно змінило б залежність дипольного моменту від кількості молекул.В експерименті, однак, подібна зміна властивостей не виявилося, через що доводиться робити висновок, що і при таких температурах кластери залишаються рідкими.

Це дослідження зайвий раз довело, що система, що складається з дуже простих елементів, – наприклад, вода – може мати дуже нетривіальними властивостями. Для детального розуміння структури і динаміки води потрібні нові експерименти і нові теоретичні дослідження. Залишається лише шкодувати, що саме нетривіальні властивості води стали їжею для псевдонаукових спекуляцій, що доходять часом до абсурду (див. Полемічні статті 1 і 2).

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: