Ученые Института автоматики и электрометрии СО РАН В.А. Зыкова, Ю.А. Карпегина, В.К. Малиновский и Н.В. Суровцев опубликовали статью Temperature dependence of the Landau-Placzek ratio in liquid water в журнале Physical Review E (ИФ 2.366) [1]. В ней приведены новые экспериментальные данные, относящиеся к структуре воды.

Вода – самое удивительное и необычное вещество на Земле. Она не знает современной физики, ведет себя своенравно, имеет очень много аномальных свойств. При охлаждении ниже +4о С вода не сжимается, а расширяется; в твердом состоянии она легче, чем в жидком и т.д. Если рассматривать воду как совокупность молекул Н2О, то ее удельный вес должен быть 1,84 г/см3, а температура кипения 63,5 оС.

Все знают, что это не так. Эти и другие удивительные аномалии заставляют предположить, что воде присуща особая структура – внутри воды должны быть пустоты. Это подтверждается существованием газогидратов – объектов, где газы заполняют полости внутри воды.

Наиболее распространенная гипотеза о строении воды основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул Н2О, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей. Свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды, присутствуют в ней лишь в небольшом количестве (~3 %).

В настоящее время многие ученые думают, что вода есть флуктуирующая смесь кластеров двух типов, в одном из которых молекулы связаны друг с другом как во льду, а в другом связи нарушены, благодаря чему эти кластеры более плотные. Размеры кластеров ~1–2 нм.

Кластеры и свободые молекулы в воде 

Рис. 1. Кластеры и свободные молекулы в воде

Структурная кинетика выглядит так: при повышенных температурах равновесие в воде смещено в сторону доминирования ассоциатов с нарушенными водородными связями, в то время как льдоподобные кластеры преобладают при низких температурах.

Гипотеза о том, что водная структура содержит два структурных мотива, очень удобна для объяснения специфических свойств воды и поэтому популярна для интерпретации экспериментальных результатов. Но так ли это?

Если изучать упруго рассеянный водой свет, то можно узнать, однородна или неоднородна жидкость. Обычно формула Ландау – Плачека, являющаяся отношением интегральной интенсивности упруго рассеянного света (пик Рэлея) к интенсивности двух линий Бриллюэна, связанных с рассеянием на звуковых волнах, является мерой в таких экспериментах.

Пик Релея и Бриллюэновские линии в воде при трех характерных температурах 

Рис. 2. Пик Релея и Бриллюэновские линии в воде при трех характерных температурах: T = 324 K (a), T = 272 K (b), T = 249 K (c).

Отношение Ландау – Плачека для однородных низковязких жидкостей хорошо описывается классическим теоретическим выражением, в котором используется пара независимых термодинамических переменных. Появление неоднородной структуры должно приводить к дополнительному количеству упруго рассеянного света по аналогии с влиянием флуктуаций концентрации в бинарных растворах.

В литературе известно всего несколько работ по определению отношения Ландау – Плачека в воде [2, 3]. Они выполнены давно и на аппаратуре ненадлежащего качества.

В экспериментах сотрудников лаборатории спектроскопии конденсированных сред ИАиЭ СО РАН отношение Ландау – Плачека измерено для жидкого состояния воды с помощью 6‑проходного интерферометра Фабри – Перо. Ученые расширили диапазон температуры вверх и значительно скорректировали ранее сообщавшиеся сведения для переохлажденных состояний. Высокое спектральное разрешение аппаратуры исключило неоднозначность при оценке интенсивности пика Рэлея и линий Бриллюэна. Эксперименты показали, что зависящая от температуры часть отношения Ландау – Плачека хорошо описывается теоретическим выражением, в котором использована пара независимых термодинамических переменных (давление и энтропия).

Температурная зависимость отношения Ландау – Плачека для воды 

Рис. 3. Температурная зависимость отношения Ландау – Плачека для воды.

Квадратами обозначены экспериментальные значения, полученные в данной работе; кружками – из [2]; треугольниками – из [3]. На рис. 3, (а) приведен весь температурный диапазон; на рис. 3, (b) – вблизи минимума. Линии соответствуют разным модельным предположениям. Красная сплошная линия показывает, как зависящая от температуры часть отношения Ландау – Плачека описывается теоретическим выражением, в котором использована пара независимых термодинамических переменных (давление и энтропия).

Экспериментальные данные, полученные учеными ИАиЭ СО РАН, согласуются с теорией во всем изученном температурном диапазоне.

«Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что никаких свидетельств увеличения упруго рассеянного света при низких температурах нет. Как же так? Данные проведенного исследования предполагают, что структура воды однородна, и ограничивают возможности свободного фантазирования относительно моделей структуры воды» – пояснил один из авторов работы – д.ф.-м.н. В.К. Малиновский.

На следующем этапе исследований необходимо выяснить, почему флуктуации, вызванные возможными неоднородностями в структуре воды, не проявляются в рассеянии света.

 

[1] Zykova V. A., Karpegina Y. A., Malinovsky V. K., and Surovtsev N. V. Temperature dependence of the Landau-Placzek ratio in liquid water, Phys. Rev. E 96, 042608 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevE.96.042608

[2] O'Connor C. L. and Schlupf J. P. Brillouin Scattering in Water: The Landau—Placzek Ratio, J. Chem. Phys. 47, 31 (1967). DOI: 10.1063/1.1711865

[3] Maisano G., Majolino D., Mallamace F. et al. Landau-Placzek ratio in normal and supercooled water, Molecular Physics 57, 1083-1097 (1986). DOI: 10.1080/00268978600100791

Пресс-релиз (pdf) 

Похожие новости

  • 08/08/2016

    Анатолий Шалагин: аддитивные технологии открывают перед человечеством принципиально новые возможности

    ​Директор Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин из тех, кто не любит много говорить, а сразу предлагает пройтись по лабораториям. "Лучше один раз увидеть", - считает он .
    1483
  • 23/05/2017

    В ИАиЭ СО РАН прошло обсуждение работы сотрудников Института теплофизики СО РАН, представленной на соискание премии Правительства РФ

    ​18 мая 2017 г. в конференц-зале Института автоматики и электрометрии СО РАН прошел семинар-общественное обсуждение работы "Разработка и внедрение оптических систем регистрации параметров рабочих процессов для повышения эффективности энергетических технологий", представленной Институтом теплофизики им.
    573
  • 21/03/2017

    Флеш-память: исследования новосибирских ученых

    Почему фотоаппарат сохраняет сделанные нами кадры, а телефон позволяет прослушивать любимые мелодии? Все мы пользуемся флешками, планшетами и другими гаджетами, но не всегда задумываемся, каким образом они работают.
    610
  • 22/06/2017

    ИАиЭ СО РАН представил принтер для 3D-металлургии

    ​На выставке, которая проходит в Новосибирске в рамках "Технопрома", представлены новые технологии и оборудование. Среди них лазерный принтер для аддитивного изготовления металлических моделей 3D ММК-1 - одна из самых ярких разработок Института автоматики и электрометрии СО РАН.
    311
  • 10/10/2017

    Молодежная конференция «Оптические и информационные технологии» прошла в новосибирском Академгородке

    ​​​Традиционная молодёжная конкурс-конференция «Оптические и информационные технологии» прошла с 25 по 27 сентября 2017 года в новосибирском Академгородке. Её организовали совместно Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН и Новосибирский государственный университет (НГУ) (при финансовой поддержке Российского научного фонда).
    140
  • 22/07/2016

    Новосибирские и московские физики получили случайную генерацию в висмутовых волоконных световодах

    В журнале Scientific Reports группы Nature опубликована статья российских физиков. В ней впервые продемонстрирован случайный волоконный лазер на основе висмутового активного световода, имеющий уникальные выходные характеристики.
    862
  • 08/06/2017

    ИАиЭ СО РАН: время новых технологий

    ​В преддверии юбилея Института автоматики и электрометрии СО РАН  о строительстве здания и истории института рассказал участник событий, на тот момент - начальник отделочного участка Альберт Николаевич Воложин.
    321
  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    805
  • 15/05/2017

    В ИАиЭ СО РАН пройдет семинар-общественное обсуждение работы коллектива научной молодежи ИТ СО РАН

    ​Приглашаем принять участие в общественном обсуждении работы "Разработка и внедрение оптических систем регистрации параметров рабочих процессов для повышения эффективности энергетических технологий", представленной Институтом теплофизики им.
    634
  • 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.
    464