Вода, казалось бы, уже очень хорошо изучена. Каждый школьник помнит простую формулу Н2О, однако проблема описания ее структуры не столь проста. Так, в современной науке предполагается существование короткоживущих группировок молекул воды, характеризующихся тетраэдрическим порядком и хорошо отличимых от окружающих молекул. Но ученые из Института автоматики и электрометрии СО РАН показали, что это не так. Результаты работы опубликованы в Physical Review E.
Как утверждают ученые, вода — самое удивительное и необычное вещество на Земле. Она «не знает» законов физики, ведет себя своенравно, имеет очень много аномальных свойств. При охлаждении ниже +4 °C вода не сжимается, а расширяется; в твердом состоянии она легче, чем в жидком. Если рассматривать воду как совокупность молекул Н2О, то ее удельный вес должен быть 1,84 г/см³ (вместо наблюдаемой плотности 1 г/см³), а температура кипения — 63,5 °C (на самом деле вода кипит при +100 °C). Предполагается, что некоторые из необычных свойств воды можно объяснить особенностями ее структуры.
Наиболее распространенная гипотеза о строении воды основана на представлении, что она состоит из молекул Н2О, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей. В настоящее время многие исследователи полагают, что вода является флуктуирующей смесью кластеров двух типов, в одном из которых молекулы связаны друг с другом как во льду, а в другом связи нарушены, благодаря чему эти кластеры более плотные. Гипотеза о том, что водная структура содержит два структурных мотива, очень удобна для объяснения ее специфических свойств и поэтому популярна для интерпретации экспериментальных результатов.
Однако прямых экспериментальных доказательств этого утверждения в настоящее время нет, и ученые работают над исследованием характеристик воды, которые могут прояснить вопрос.
Сотрудники лаборатории спектроскопии конденсированных сред ИАиЭ СО РАН также обратили свое внимание на проблему описания структуры воды. Эта лаборатория традиционно исследует жидкости, которые при охлаждении становятся стеклами. «Мы занимаемся вопросом, насколько стеклующиеся жидкости остаются однородными в плане структуры и какими методами это можно изучать. Нами было показано, что их отличие от жидкостей кристаллизующихся заключается в том, что первые при охлаждении, начиная с определенной температуры, образуют локальные группировки, становятся в нанометровом масштабе неоднородными, и это приводит к ряду экспериментальных проявлений, в том числе и к повышенному упругому рассеянию света», — рассказывает заведующий лабораторией член-корреспондент РАН Николай Владимирович Суровцев.
Используя разработанные подходы к описанию стеклующихся жидкостей, исследователи решили посмотреть на свойства воды — предполагалось, что она будет вести себя практически так же, и присутствие двух структурных мотивов в ней приведет к увеличению интенсивности рассеянного света. В этом ожидании практически не было сомнений, поскольку молекулы Н2О способны образовывать водородные связи c соседними молекулами. Таким образом, один атом кислорода оказывается «соединен» ковалентными и водородными связями с четырьмя соседними атомами водорода, которые создают структуру, близкую к фигуре тетраэдра (тетраэдрическая координация). Считается, что с понижением температуры доля молекул воды, вовлеченных в этот процесс, увеличивается, и это приводит к рассеянию света. В таком случае отношение Ландау — Плачека должно резко возрастать по сравнению с теорией для однородных жидкостей. Исследователей интересовал вопрос: на какой температуре происходит такое интенсивное кластерообразование?
Отношение Ландау — Плачека — это отношение интегральной интенсивности упруго рассеянного света к интенсивности двух линий Мандельштама — Бриллюэна, связанных с рассеянием на звуковых волнах. В литературе известны только две работы по определению температурной зависимости отношения Ландау — Плачека для воды, однако они были выполнены в 1967 и1986 годах на аппаратуре с низким спектральным разрешением.
«Эксперимент ставили фактически для того, чтобы увидеть, что вода ведет себя подобно стеклующимся жидкостям, то есть в ней образуются определенные фрагменты структуры, хотя и короткоживущие. Но природа оказалась богаче в своих проявлениях и в очередной раз удивила исследователей», — отмечает главный научный сотрудник ИАиЭ СО РАН доктор физико-математических наук Валерий Константинович Малиновский.
Как проходил эксперимент? На запаянную ампулу с чистой водой направлялся луч, и рассеянный свет измерялся с помощью уникального 6-проходного интерферометра Фабри — Перо, высокое разрешение которого исключило неоднозначность в описании спектров. Это позволило оценить степень однородности жидкости. Совершенно внезапно для самих ученых эксперимент не оправдал ожиданий — при охлаждении воды во всем исследованном температурном диапазоне никакого дополнительного увеличения упругого рассеяния света обнаружено не было. Вместо этого полученные значения отношения Ландау — Плачека хорошо описывались теорией однородной жидкости.
«Нет сомнений, что тетраэдрические координации присутствуют в структуре воды. Однако идеальных тетраэдров в жидкости быть не может — все они имеют искажения по длине и углам связей. Обычно ученые проводят гипотетическую границу и говорят: вот, начиная с этих параметров для углов и длин связей, мы считаем, что это тетраэдрическая координация, а при превышении определенного интервала — уже не она. При таком разделении в структуре воды естественно возникают две фазы. Результаты нашего эксперимента указывают, что распределение по параметрам плавное, и нет двух обособленных групп, между которыми можно было бы модельно-независимо провести границу», — говорит Николай Суровцев.
Здесь важно отметить, что вода очень изменчивая структура, она существует в каком-то одном состоянии миллионную долю от миллионной доли секунды, а затем молекулы перегруппируются, образовывают новые связи.
«Пусть на эту мельчайшую долю времени, но вода всё равно могла бы образовывать хорошо определенные кластеры на фоне некластерных молекул, но этого не происходит», — отмечает Николай Суровцев.
Взаимодействие молекул в воде можно представить как праздничную площадь, заполненную людьми, которые всё время хаотично перемещаются, где-то стоят плотнее, где-то более отдаленно друг от друга. Вот туда заходят маленькие группки солдат и смешиваются с толпой. Если бы группы солдат образовывали строй, сохраняя порядок шеренги, то их можно было бы считать хорошо различимыми кластерами на фоне остальной публики. Но в эксперименте увеличения упруго рассеянного света подобного положения вещей не наблюдается, что соответствует отсутствию упорядоченных групп.
«Результаты исследования естественно описываются в предположении квазиоднородной жидкости и ограничивают возможности свободного фантазирования по поводу структуры воды», — говорит Валерий Малиновский.
Диана Хомякова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии