​​​
Одной из наиболее интенсивно изучаемых фундаментальных проблем воды является вопрос о существовании структурных неоднородностей (СН) в воде. Ряд исследователей поддерживает возможность существования структурных неоднородностей, однако другие исследователи убеждены в обратном. По данной тематике было выпущено множество экспериментальных и теоретических работ, однако окончательного ответа не было найдено и вопрос оставался открытым. 

Международная группа учёных в соавторстве со специалистами лаборатории спектроскопии конденсированных сред Института автоматики и электрометрии СО РАН опубликовала статью [1] в одном из самых авторитетных общенаучных журналов – Scientific Reports, входящем в группу Nature. Для решения фундаментальной задачи авторы предложили оригинальный подход к описанию структуры воды. В рамках этого подхода было показано отсутствие стабильных структурных неоднородностей и постоянное присутствие динамических СН. Результаты этой работы важны для описания природы более чем 50 различных аномальных свойств воды.

В своей работе авторы рассматривают воду как динамическую сеть связей между молекулами, расстояние между которыми не превышает 3,2 ангстрема (Å). С помощью метода молекулярной динамики и структурного анализа изучаются временная и температурная зависимости взаимного расположения каждой пары соседних молекул и энергия взаимодействия между ними. Авторы демонстрируют, что для каждой температуры число водородных связей в системе и координационное число молекул сохраняются во времени и изменяются вблизи среднего значения: сетка водородных связей постоянно перестраивается, однако в любой момент времени включает в себя все молекулы воды. Показано, что для описания природы воды среди прочих её характеристик, зависящих от температуры, можно выделить и число водородных связей (H-связей). При исследовании их энергии обнаружено, что энергия большинства водородных связей значительно превышает тепловую энергию, поэтому, учитывая, что большинство молекул участвуют в образовании четырёх водородных связей, можно говорить о высокой стабильности сформированной сетки, это позволяет жидкой воде проявлять свойства твёрдого тела. При тепловом движении взаимная ориентация молекул может изменяться, водородные связи будут образовываться и распадаться. Небольшая доля связей, энергия которых сравнима с тепловой энергией, ответственна за реорганизацию структуры воды и, соответственно, поведение воды как жидкости. Изменение взаимной ориентации молекул друг относительно друга возможно также под действием внешних электромагнитных сил, которые, следовательно, также могут влиять на свойства воды.

В результате расчётов была обнаружена неоднородность структуры воды, сформированная группами молекул, объединённых более короткими водородными связями. Размер, количество и общая доля вовлечённых молекул зависят от температуры, их пространственное положение со временем изменяется. Каждая неоднородность имеет конечное время жизни и изменчивую структуру, однако такие неоднородности присутствуют в воде в любой момент времени, т. е. всегда.

Структурные неоднородности в воде 

(1) Доли молекул от общего числа, участвующих в образовании 1, 2, 3, 4 и 5 водородных связей (H-связей) при различных температурах. Наблюдается небольшое число молекул, участвующих в образовании 5 связей, что обосновано выбором геометрического критерия H-связи. (2) Доли молекул от общего числа, участвующих в образовании как минимум 1, 2, 3 и 4 коротких H-связей.(3) Распределение усреднённого по времени моделирования числа структурных неоднородностей (СН) в зависимости от числа молекул, образующих эти СН, присутствующих в системе из 8000 молекул воды в любой момент времени. Значения меньше 1 указывают на то, что неоднородности данного размера присутствуют в системе не в любой момент времени.
Таким образом, данное исследование даёт новое представление о воде как о неоднородной динамической системе, состоящей из водородных связей молекул воды, число которых постоянно. Результаты работы разрешают спор о существовании или не существовании неоднородности воды: структура воды обладает динамическими неоднородностями. Учёт рассмотренных в статье новых характеристик важен при исследовании природы макроскопических свойств воды, т. к. открывает новую возможность для описания аномальных свойств, чего раньше окончательно и достоверно сделано не было. Как авторы показали ранее [2], обнаруженные нанонеоднородности могут быть ответственны за неаррениусовское поведение воды при температуре ниже 0 °С.


 

The nano-structuralinhomogeneity of dynamic hydrogen bond network of TIP4P/2005 water / Vladimir Belosludov, Kirill Gets, Ravil Zhdanov, Valery Malinovsky, Yulia Bozhko, Rodion Belosludov, Nikolay Surovtsev, Oleg Subbotin & Yoshiyuki Kawazoe // Scientific Reports volume 10, Article number: 7323 (2020).

Источники

Нанометровые неоднородности - ключ к аномальным свойствам воды
Институт автоматики и электрометрии (iae.nsk.su), 01/10/2020

Похожие новости

  • 30/11/2018

    Ученые СО РАН и сотрудники МВД обсудили вопросы безопасности

    ​12 ноября 2018 г. в новосибирском Академгородке прошла научно-практическая конференция «Фундаментальные исследования Сибирского отделения РАН в создании специальной техники МВД России». Организаторы конференции: Сибирский филиал ФКУ НПО «СТиС» МВД России и Президиум СО РАН.
    2654
  • 22/10/2019

    Российская промышленная и технологическая выставка в Китае

    В Северо-восточном университете города Шэньян (КНР) состоялась выставка российской промышленной техники в рамках инициативы "Один пояс и один путь".Выставку поддержали более 30 известных китайских и зарубежных академий наук и вузов, таких как Сибирское и Уральское отделения Российской академии наук, Шэньянское отделение Китайской Академии наук и Северо-восточный университет.
    459
  • 26/12/2017

    Новосибирские учёные изучили фазовое состояние липидов в замораживаемых преимплантационных эмбрионах мыши

    Исследуя процессы замораживания эмбрионов ранних стадий, сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН и ФИЦ Института цитологии и генетики СО РАН изучили, как меняется фазовое состояние липидов преимплантационных эмбрионов мыши, замораживаемых при криоконсервации.
    1360
  • 05/06/2018

    ИАиЭ СО РАН планирует получить заказы предприятий Пермского инновационного кластера волоконно-оптических технологий

    24 мая 2018 г. состоялся визит делегации ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПАО «ПНППК») в Институт автоматики и электрометрии СО РАН. В состав делегации вошли: генеральный директор ПАО «ПНППК» А.
    993
  • 07/11/2018

    Делегация Исследовательского центра Самсунг ознакомилась с разработками ИАиЭ СО РАН

    ​30 октября состоялся визит делегации Исследовательского центра Самсунг в Институт автоматики и электрометрии СО РАН.  Делегацию возглавил вице-президент компании Samsung Electronics, директор Исследовательского центра Самсунг Jin Wook Lee.
    861
  • 05/05/2017

    Представители «Швабе» выступили на конференции «СибОптика-2017»

    Холдинг «Швабе» госкорпорации Ростех представил новые методы оценки моторных топлив, а также оригинальную оптическую схему интерферометра для исследования термодеформаций зеркала контррефлектора космического телескопа «Миллиметрон» в рамках Международной конференции «СибОптика-2017».
    1805
  • 16/08/2017

    Новосибирские ученые разрабатывают новый способ лечения рака

    Исследователи из новосибирского Академгородка совместно с американскими коллегами разработали новый перспективный метод диагностики и терапии раковых опухолей. Сегодня одним из наиболее эффективных методов лечения онкобольных является бор-нейтрон захватная терапия.
    2554
  • 15/11/2017

    Учёные обнаружили у нескольких морских существ вещества, способные уничтожать раковые клетки

    ​Ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе со своими коллегами из Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН), а также из ведущих онкологических клиник Германии и Швейцарии обнаружили в составе ряда морских организмов (гидробионтов) уникальные вещества, способные уничтожать опухолевые клетки.
    1661
  • 07/11/2018

    Делегация ПАО «ОДК-Сатурн» посетила Институт автоматики и электрометрии СО РАН

    ​31 октября состоялся визит делегации ПАО «ОДК-Сатурн» (г. Рыбинск) в Институт автоматики и электрометрии СО РАН. Делегацию возглавил директор по инновационному развитию ПАО «ОДК-Сатурн» Д.С. Иванов.
    998
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    2827