Учени от Токийския университет са изследвали подробно структурата на водата като течност и са установили, че нейните свойства зависят от съотношението на две фазови състояния.
Всеки знае, че свойствата на водата са различни от повечето течности: тя се разширява, когато замръзва (следователно ледът е по-лек), когато се свива, вискозитетът й намалява и т.н. Тези привидно аномални свойства ни се обясняват в училище с наличието на водородни връзки между молекулите. Детайлите обаче все още са слабо разбрани, въпреки че темата е изключително важна както за химията, така и за физиката. Специфичните свойства на водата също се използват в медицината и техническите дисциплини.
Институтът по индустриални науки на Токийския университет успя да напредне в разбирането на феномена на структурата на водата.
Водата в течно състояние образува тетраедрични структури от местен характер, които се образуват с помощта на водородни връзки - това е известно отдавна. Японски учени са установили, че водата не е просто "неподредена вода", в която се носят "частици" от "тетраедрична вода": системата има диаграма на състоянието, подобна на твърдите фази.
Разработен е модел, който разглежда течната вода като система, състояща се от две фази. Първото е неподредено състояние с висока симетрия на въртене. Най-просто казано, това е отсъствието на какъвто и да е определен модел в "посоките" на молекулите в течността. Втората фаза е не само тетраедрично подредена, но и термодинамично в неравновесно състояние. Взаимодействието на тези състояния се описва с ламбда параметъра (λ), чието физическо значение е оценка на относителната сила на междумолекулните взаимодействия от двойка и тройна природа. Тоест обичайното между две свободни молекули и между молекулите, които изграждат тетраедрична структура. Съответно, увеличаването на параметъра λ показва увеличаване на подреждането на системата.
Този модел изглежда прост, но добре предсказва ненормалното поведение на водата като течност.
Един от ръководителите на изследването, Джон Русо, обяснява: "… С увеличаването на λ тетраедричните обвивки, които се образуват около всяка молекула, стават енергийно по-стабилни." Това компенсира консумацията на енергия за подреждане на структурата като цяло. Учените, променяйки λ, са моделирали фазови диаграми, чиято структура може да бъде доста неочаквана. И така, фигурата вляво показва структурата на водата от типа Si34 - тя се формира под отрицателно налягане. Нещо повече, структурата му е клатрат, тоест всъщност е съединение за включване: някои от водните молекули са в кухините на структурата, образувана от другите му молекули.
Изображение на структурата на водата във фазово състояние Si34 (вляво) и фазова диаграма в координати λ / налягане (вдясно) / Институт по индустриални науки, Университетът в Токио.
Промоционално видео:
Разкритата зависимост не е линейна, максималният ефект върху свойствата на водата се проявява при λ = 23,15.
Хаджиме Танака, един от ръководителите на проекта, отбеляза важната роля на изследванията във физическата химия.
Връзката на макроскопичните параметри като вискозитета с микроскопичните структури, получени с помощта на относително прост модел, наистина е важно постижение. От практическа гледна точка разбирането на структурата на водата трябва да подпомогне разработването на ефективни фини филтри.
Антон Бугайчук