Онлайн библиотека

Жидкая вода является не вполне жидкостью

28 октября 2005

Такая простая жидкая вода, как ни удивительно, ещё способна удивлять учёных (иллюстрация The Sacred Balance).

Группа учёных из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) и университета Калифорнии (UC Berkeley) нашли ответ на простой вопрос: как взаимодействуют между собой молекулы воды?
Кажется, что ответ можно найти в школьном учебнике: водородные связи, слабая поляризация каждой молекулы, имеющей форму буквы V и так далее, и тому подобное. Но, несмотря на кажущуюся простоту, до сих пор в точности не выяснено, что происходит с молекулами воды, когда она находится в жидком состоянии.
Среди учёных распространены две конкурирующие теории о взаимодействии молекул в жидкой воде.
По одной — водородные связи между ближайшими молекулами, которые и дают водяному льду его структуру — разрушаются (в данных условиях), позволяя молекулам свободно перемещаться. Это так называемая модель с двумя состояниями.
Вторая версия — версия непрерывного изменения состояний, континуума, говорит о сохранении водородных связей между соседними молекулами в жидкой воде, но связей — постоянно меняющихся и искажающихся.
В новой работе группа американских физиков подводит итоги многолетних трудов, экспериментов и вычислений, которые также венчает недавнее "просвечивание" жидкой воды при помощи так называемой Раман-спектроскопии (широко применяемой для анализа веществ).
Исследователи показали, что наблюдаемые особенности результатов этой спектроскопии говорят в пользу правоты модели континуума. То есть — при переходе изо льда в жидкость вода не разрывает водородные связи между соседними молекулами. Но взамен они становятся изменчивыми и подвижными. В чём-то даже "виртуальными".
В том смысле, что каждая такая связь в любой момент времени может вдруг взять и исчезнуть, однако она восстановится уже через какие-то 200 фемтосекунд (либо — с той же самой молекулой-соседкой, либо с другой). В результате эти эфемерно короткие разрывы позволяют молекулам перемещаться друг относительно друга. Мы бы сказали, что жидкая вода, в некотором роде, не жидкость вовсе, а необычайно пластичный лёд.
Если вы дочитали эту заметку до конца, вам наверняка понравится большой материал об исследовании в Беркли необычных водных структур, рождающихся на границе вода-твёрдая поверхность, а также сообщения об открытии принципиально новых состояний воды, одно из которых не является ни льдом, ни газом, ни жидкостью, а второе и вовсе экзотическое — нанотрубочное.

Открыто нанотрубочное состояние воды

8 июня 2005

Александр Колесников и его коллеги из американской национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory) открыли новое состояние воды, при котором она не замерзает даже вблизи абсолютного нуля.
По словам Колесникова, многие учёные моделировали на компьютере поведение воды в разнообразных экзотических условиях и, в том числе, в крайне ограниченном объёме, когда стенки "бака" немногим шире молекул воды.
Однако никто ещё не пробовал провести натурный эксперимент по помещению воды, скажем, внутрь углеродных нанотрубок. Это и проделали американские исследователи.
Они взяли углеродные нанотрубки диаметром в 1,4 нанометра и длиной 10 тысяч нанометров, и поместили их в водяной пар на несколько часов.
Затем они дождались, пока вода на внешней поверхности трубок испарится, и выставили трубки интенсивному нейтронному излучению, позволяющему за счёт эффектов рассеивания увидеть внутреннюю структуру вещества вплоть до отдельных атомов водорода.
Оказалось, что вода внутри трубок сформировала некое образование, напоминающее лёд по жёсткой структуре, но подвижное, как жидкость. По своим свойствам это образование отличалось от "оптового" льда или жидкости.
А по форме оно напоминало кольцевую "подкладку" внутри углеродной трубки с зазором между молекулами воды и углеродными стенками в 0,32 нанометра. И это вещество оставалось подвижным подобием жидкости даже при 8 градусах Кельвина выше абсолютного нуля и перемещалось вдоль трубки — словно в одномерном пространстве.
При этом выяснилось, что так называемое координатное число молекул воды сократилось с нормальных 3,8 до 1,86. Иначе говоря, сильно сократилась свобода водородных связей и их способность формировать разнообразные пространственные структуры из множества близких молекул воды, как это происходит, к примеру, во льду.
Новое состояние H2O авторы работы назвали "нанотрубочной водой" (nanotube water). Её исследования будут продолжены и, как говорят учёные, пригодятся не только в физике, но и в биологии, ведь в организмах вода также попадает в необычное окружение, когда течёт по капиллярам или проходит клеточные мембраны.
Читайте также о необычном фазовом состоянии воды, которое не является ни льдом, ни жидкостью, ни газом.