Everyone knows that the properties of water differ from most liquids: it expands with freezing (therefore, ice is easier), compression reduces its viscosity and so on. These seemingly abnormal properties are explained to us even at school by the presence of hydrogen bonds between the molecules. However, the details are still little studied, although the topic is extremely important for chemistry and physics. Specific properties of water are also used in medicine and technical disciplines.
Изображение структуры воды в фазовом состоянии Si34 (слева)
и фазовая диаграмма в координатах λ/давление (справа)
© Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
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.
Источник: naked-science. ru
