Що є простіше води? Ми знайомі з нею з самого немовляти, вона оточує нас всюди, вона несе життя. Однак багато чого в її структурі на молекулярному рівні досі залишається загадкою. А деякі властивості води поки пояснити ніяк не вдається.
В цілому, сьогодні вчені налічують 66 «аномальних» властивостей, властивих звичайній воді. Це - і незвично сильне поверхневе натягнення (сильніше тільки у ртуті), і висока теплоємність, і дивно мінлива щільність (вона збільшується з пониженням температури і досягає максимуму приблизно при 4 градусах).
Всі ці незвичайні властивості води безцінні для життя на Землі. Через аномалії щільності водойми замерзають, починаючи з поверхні, і дозволяють рибам та іншим їх мешканцям спокійно зимувати під льодом. Сильне поверхневе натягнення не тільки дозволяє деяким комахам пересуватися по поверхні, але і дає рослинам можливість всмоктувати вологу з ґрунту і доставляти її високо в крони. А висока тепломісткість робить температуру світового океану стабільною, впливаючи на клімат всієї планети.
"Зрозуміти природу цих аномалій більш ніж важливо, - говорить Андерс Нільсон (Anders Nilsson), стенфордський фізик, під керівництвом якого нещодавно завершилося ще одне цікаве дослідження, присвячене" дивацтвам "води, - адже вода - обов'язкова основа нашого власного існування: немає води - немає життя. Наша робота дозволяє пояснити ці аномалії на молекулярному рівні, при температурах, що підходять для життя ".
Те, як організовані молекули H2O в твердій водній фазі - льоді - було встановлено досить давно. Вони формують тетраедричну решітку (з пірамід з трикутними сторонами), кожна молекула в якій пов'язана з 4-ма іншими. Тут доречно згадати відмінну статтю з січневого номера «TechInsider», в якій ми розповідали про сніг і сніжинки - про науку і деякі міфи, пов'язані з ними. Скажімо, чи правда, що кожна сніжинка неповторна? Читайте: «Біла магія».
Але ось з рідкою водою справа виявилася куди складнішою - і цікавішою. Вже понад століття структура її залишається предметом самого пильного вивчення, найсміливіших гіпотез і найспекотніших дискусій. Найбільш загальноприйнята модель, яка описується сьогодні в підручниках, передбачає, що раз лід володіє тетраедричною структурою, то і вода повинна мати таку ж, тільки набагато менш упорядковану, що охоплює лише кілька молекул.
Щоб вивчити це питання, Андерс Нільсон з колегами використовували найпотужніші пучки рентгенівських променів, отриманих на синхротронах SLAC в Стенфорді і SPring-8 в Японії, направляючи їх на зразки чистої рідкої води. Вивчивши те, як промені розсіювалися цими зразками, вчені дійшли висновку про те, що «тетраедрична модель» некоректна. На їхній подив, вода при кімнатній температурі одночасно утворює 2 види структур - одна з них високо впорядкована тетраедрична, а інша - повністю розупорядкована.
Ці два види структур існують у воді ніби окремо. Тетраедричні формують скупчення, об'єднуючи в середньому до 100 молекул, як би занурені в регіони з розупорядкованою структурою. Рідка вода являє собою постійно «коливається» середовище, молекули якого безперервно переходять з однієї структури в іншу - принаймні, при температурах від кімнатної і майже до точки кипіння. У міру зростання температури впорядкованих тетраедричних структур стає все менше, проте розміри їх, як не дивно, залишаються колишніми.
"Ви можете уявити це, як переповнений ресторан, - пояснює Андерс Нільсон. - Частина людей сидить за великими столами, займаючи значну частину приміщення. Це тетраедричні структури. Інші танцюють під музику між столами, хто попарно, хто по 3 − 4 людини. У міру того, як музика стає все більш заводною (температура зростає), танцюючі рухаються все швидше. Існує також постійний «обмін»: одні сідають за столи відпочити, інші приєднуються до танцюючих. Якщо музика досягає певного напруження, цілі столи зрушуються вбік, а люди з них піднімаються потанцювати. І навпаки, якщо танець заспокоюється, стіл повертається на місце, і люди знову посаджуються за нього ".
Цікаво, що таке уявлення про молекулярну структуру рідкої води при звичайній температурі підкріплює інші дослідження, присвячені незвичайному «переохолодженому» стану води. У цій незвичайній формі вона не замерзає навіть далеко нижче нуля. Виявивши цей цікавий стан, теоретики спробували пояснити його і запропонували відповідну модель: молекулярна структура переохолодженої води повинна складатися з двох типів - тетраедричної і розупорядкованої, співвідношення яких залежить від температури. Словом, все так, як описав Нільсен і його колеги.
Які ж висновки про аномалії води можна зробити, виходячи з моделі, отриманої вченими? Візьмемо, наприклад, щільність. Молекули, організовані в тетраедричні структури, менш щільно упаковані, ніж у розупорядкованих, і ця щільність упаковки в них майже не залежить від температури. А в розупорядкованих вона хоча і вище, але змінюється: при підвищенні температури щільність знижується, оскільки молекули починають «танцювати» активніше, а значить - і трохи далі один від одного. Отже, при підвищенні температури більша частина молекул переходить в розупорядковані структури, і самі ці структури стають менш щільними. Це пояснює і дуже високу теплоємність води. Енергія, яка поглинається водою зі зростанням температури, значною мірою витрачається на перехід молекул із тетраедричних структур у розупорядковані.
Читайте також ще про одну аномалію води, яка ледь не погубила експедицію легендарного полярника Фритьофа Нансена - і про те, чим вона пояснюється: «Фізика мертвої води».
За прес-релізом Stanford University