figure

The Japanese managed to determine the reasons for the uniqueness of the properties of water

Всем известно о различиях между свойствами воды и большинством жидкостей. Расширение воды происходит при замерзании, что объясняет легкость льда, а при сжатии происходит снижение ее вязкости. Наличие этих, казалось бы, аномальных свойств объясняется еще в школьной программе водородными связями между молекулами. Хотя изученность подробностей данных процессов поверхностна, тема является крайне важной для физиков и химиков. Специфическими свойствами воды пользуются медики и представители технических дисциплин.

Уникальность свойств воды

В Институте промышленных наук, функционирующем при Токийском университете, смогли добиться успехов, связанных с пониманием феномена строения воды. В воде, находящейся в жидкой фазе, происходит образование тетраэдрических структур локального характера, формирующихся посредством водородных связей, — об этом известно давно. Японским ученым удалось определить, что вода — является не просто «неупорядоченной водой», с плавающими в ней  «частицами» «тетраэдрической воды»: системе присуще наличие диаграммы состояния, аналогичной твердым фазам.

Удалось разработать модель, относящуюся к жидкой воде, как к системе, состоящей из 2-х фаз. Первую считают неупорядоченным состоянием, имеющим высокую вращательную симметрию. Проще говоря, можно утверждать, что отсутствует какая-либо определенная закономерность по «направлениям» в жидкости молекул. Вторую фазу признают не просто упорядоченной тетраэдрально, а термодинамически она соответствует неравновесному состоянию. Описание особенностей взаимодействий этих состояний соответствует параметру лямбда (λ). Его физическим смыслом является оценка, обусловленная относительной силой межмолекулярных взаимодействий 2-ного и 3-ного характера. В общем, речь идет об обычном взаимодействии, возникающем между парой свободных молекул, и молекул, входящих в тетраэдрическую структуру. В соответствии с этим, растущий параметр λ говорит об увеличенной упорядоченности системы. Модель удивляет своей простотой, но используется для хорошего предсказания аномального поведения воды в качестве жидкости.

Джон Руссо, руководящий исследованием, утверждает, что благодаря увеличению λ повышается энергетическая стабильность тетраэдрических оболочек, образующихся рядом с каждой молекулой. Таким образом осуществляется компенсация энергетических затрат, связанных в целом с упорядочиванием структуры. Ученые, посредством изменения λ, создали модель диаграммы фазовых состояний, обладающих весьма неожиданным строением. На левом рисунке можно наблюдать структуру воды типа Si34 — образующейся при отрицательных давлениях. Строение ее при этом ее является клатратным, являющимся, по сути, соединением включения. Некоторое количество молекул воды оказывается в структурных полостях, образуемых иными молекулами воды. Выявленную зависимость считают не линейной, максимум влияния в отношении свойств воды фиксируется при λ = 23,15.

Руководящий проектом Хадзиме Танака упомянул о важной роли исследования для применения в физической химии. Обнаружить связь между макроскопическими параметрами, например, вязкостью, и микроскопическими структурами, используя при этом сравнительно простую модель, является действительно важным достижением. В практическом аспекте определиться с пониманием структуры воды станет подспорьем для разработок, связанных с эффективными фильтрами тонкой очистки.