Новое состояние молекул воды
Химем
С самого детства мы знаем, что у воды есть 3 агрегатных состояния: в виде твердого льда, жидкой воды и газообразного пара. Жили мы - не тужили с такой примитивной истиной. Однако относительно недавно международная группа ученых обнаружила признаки того, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Первое - всеми нами привычное и любимое, а второе - "туннельное".
Исследование
Исследование, проведенное сотрудниками Национальной лаборатории в Ок-Ридж (США), показало, что молекула воды способна принимать новое состояние в мельчайших, наноразмерных каналах кристаллов берилла, подвидами которого являются такие минералы как аквамарин и изумруд.
Ход эксперимента был следующий: в шестиугольные сверхмалые каналы берилла диаметром в 0.5 нанометров (миллиардная часть метра) помещали воду. Температура воды бралась от 0 до 100℃ при нормальных условиях.
Когда атомы вещества находятся в таких маленьких пространствах, эффект называется туннелированием.
К удивлению ученых, при температуре в 50℃ произошли резкие отклонения в таких свойствах воды как поверхностное натяжение и коэффициент преломления. Да и вообще вода начинает себя очень странно вести: она не является ни газом, ни твердым веществом, ни жидкостью. А еще у воды пропадает дипольный момент, то есть она перестает обладать положительно и отрицательно заряженными полюсами.
Ранее ученые уже предполагали, что в тонких и протяженных каналах берилла молекулы воды участвуют в туннелировании, то есть способны менять свое квантовое состояние, однако доказательств такой гипотезы не было. До поры до времени!
Поведение воды в берилле следующее: атом кислорода в молекуле воды располагается практически в центре шестигранного канала берилла, а два водорода обращены к одной из этих граней. Для того, чтобы молекула могла "провернуться", необходимо приложить достаточное количество энергии и иметь соответствующее для такого действа пространство, которым каналы берилла не располагают. Однако молекула воды все же может поменять ориентацию, "перепрыгнув" с одной стенки на другую, при этом избежав промежуточного положения (в этом и заключается эффект квантового туннелирования).
Поэтому получается так, что атомы кислорода и водорода оказываются делокализоваными, то есть присутствуют одновременно в шести одинаковых позициях внутри канала и не обладают каким-то определенным положением. Пара атомов водорода оказывается "размазана" в пространстве, а вокруг атома кислорода возникает кольцеобразное уплотнение. Такое необычное поведение можно объяснить только с помощью квантовой физики.
Но не все так просто. Для перехода в "туннельное" состояние недостаточно только лишь "загнать" молекулы воды в узкие каналы. На основании компьютерного моделирования ученые пришли к выводу, что катализатором для этого феномена служат колебания структуры кристалла берилла.
Применение
До сих пор не очень ясно, как именно можно использовать данное открытие на практике. Но группа ученых утверждает, что оно способно поменять современное представление о том, как вода ведет себя в наноразмерных резервуарах.
Со временем, возможно, появится возможность имитировать такие природные феномены, как диффузия воды через клеточные мембраны, что, несомненно, приведет к новым разработкам в медицине. Помимо этого ученые смогут изучить и понять термодинамические свойства воды в замкнутых средах, таких как углеродные нанотрубки, а также в различных геологических условиях. Естественно, следует ждать множество дискуссий в биологических, геологических и физико-математических кругах. Теперь важно объяснить механизм нового явления и понять, как оно подействует на каждую научную сферу.