Мартин Чаплин — исследование воды
Мартин Чаплин — исследование воды
Вопросы к Мосину:
Красивые статьи по воде. Несколько вопросов:
Вы не даёте ссылок на проф. Chaplin (www1.lsbu.ac.uk2268index1.html ) Есть на то предпосылки? Вы не согласны с ним в чём-то?С почтением, Григорий Иоффе, Израиль
Здрасти, почетаемый Григорий!
Огромное спасибо за энтузиазм к нашему веб-сайту. Доктор Мартин Чаплин – научно общепризнанный на Западе авторитет в области исследования структуры воды. Ссылка на его веб-сайт издавна выложена на нашем веб-сайте: /article/onew/
Я ценю его большой вклад и проделанную работу по исследованию структуры воды, хотя придерживаюсь других точек зрения на модель строение воды, предложенную русским исследователем воды Станиславом Зениным.
Если кратко, главные различия в последующем: На данный момент научно установленно, что особенности физических параметров воды и бессчетные короткоживущие водородные связи меж примыкающими атомами водорода и кислорода в молекуле воды делают подходящие способности для образования особенных структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
Одна из первых моделей воды – модель Фрэка и Уэна [Frank & Wen, 1957]. В согласовании с ней водородные связи в водянистой воде безпрерывно образуются и рвутся, при этом эти процессы протекают кооперативно в границах короткоживущих групп молекул воды, нареченных “мерцающими кластерами”. Их время жизни оценивают в спектре от 10-10 до 10-11 с. Такое представление правдоподобно разъясняет высшую степень подвижности водянистой воды и ее низкую вязкость. Считается, что благодаря таким свойствам вода служит одним из самых универсальных растворителей.
Но модель “мерцающи кластеров” не может разъяснить огромное количество уже издавна узнаваемых фактов, и тех, что стали быстро нарастать в ближайшее время.
Модель клатратного типа предложил О.Я. Самойлов в 1946 году: в воде сохраняется схожая гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой отчасти заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году сделал другой вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая неким кристаллогидратам.
В 1990 г. чл.-корр. АН СССР Г.А. Домрачев (Ин-т металлоорганической химии РАН) и физик Д.А. Селивановский (Ин-т прикладной физики РАН) определили догадку о существовании механохимических реакций конструктивной диссоциации воды [Домрачев, 1995]. Они исходили из того, что водянистая вода представляет собой динамически нестабильную полимерную систему и что по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механических воздействиях на воду поглощенная водой энергия, нужная для разрыва Н-ОН, локализуется в микромасштабной области структуры водянистой воды. Реакцию разрыва Н-ОН связи можно записать так: (Н2О)n(Н2О…H-|-OH) (Н2О)m + E(Н2О)n+1(H ) + ( OH) (Н2О)m, где “ E” обозначает не спаренный электрон.
Так как диссоциация молекул воды и реакции с ролью радикалов H и OH происходит в ассоциированном состоянии водянистой воды, радикалы могут иметь большенные (10-ки секунд и поболее) длительности жизни до смерти в итоге реакций рекомбинации [Blough et al., 1990].
Таким макаром, есть довольно убедительные свидетельства в пользу того, что в водянистой воде находятся очень устойчивые полимерные структуры. В 1993 году южноамериканский химик Кен Джордан предложил свои варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул [Tsai & Jordan, 1993]. Эти кластеры могут объединяться вместе и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Увлекательной особенностью этой модели будет то, что из нее автоматом следует, что свободно растущие кристаллы воды, отлично известные нам снежинки, должны владеть 6-лучевой симметрией.
В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона способом рентгеноструктурного анализа при помощи сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей создавать структуры — «настоящие кирпичики» воды, представляющие из себя топологические цепочки и кольца из огромного количества молекул.
Другая исследовательская группа Нильссона из синхротронной лаборатории всё такого же Стенфордского института, интерпретируя приобретенные экспериментальные данные как наличие структурных цепочек и колец, считает их достаточно долгоживущими элементами структуры.
Невзирая на то, что различные модели предлагают отличающиеся по собственной геометрии кластеры, они все постулируют, что молекулы воды способны объединяться с образованием полимеров. Но традиционный полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнешнего времени числились чисто электростатическими. Но в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь меж молекулами воды во льду имеет отчасти (на 10%) ковалентный нрав [Isaacs E. D., et al.,1999]. Даже отчасти ковалентный нрав водородной связи “разрешает”, само мало, 10% молекул воды объединяться в довольно долгоживущие полимеры (непринципиально, какой определенной структуры). А если в воде есть полимеры воды, то даже слабенькие воздействия на полностью чистую воду, а тем паче ее смеси, могут иметь принципиальные последствия.
В химии полимеров отлично известен тот факт, что под действием механических напряжений, а именно – звуковой обработки, растяжения, продавливания полимера через тонкие отверстия, молекулы полимеров могут “рваться”. Зависимо от строения полимера, критерий, в каких он находится, эти разрывы сопровождаются или образованием новых хаотичных связей меж “клочками” начальных молекул, или уменьшением их молекулярной массы. Такие процессы служат, а именно, предпосылкой старения полимеров. Изредка уточняют, что фрагментация полимеров при схожих воздействиях – явление нетривиальное. Так, к примеру, интактные молекулы ДНК, составленных из сотен тыщ и миллионов мономеров-нуклеотидов, просто распадаются на более маленькие куски от обычного смешивания продукта палочкой. При всем этом, чем меньше куски, тем паче высочайшей плотности требуется энергия для предстоящего дробления. Во всех случаях – и в длинноватых и в маленьких полимерах разрываются химически схожие ковалентные связи. Как следует, если для разрыва ковалентной связи меж 2-мя атомами в малой молекуле нужно приложить энергию, эквивалентную энергии кванта УФили само мало видимого света, то такая же связь в полимере может лопнуть при воздействии на него механических колебаний. В первом случае частота колебаний соответствует величинам порядка 1015 Гц, во 2-м – герцам – килогерцам. Означает, молекула полимера может выступать в роли типичного трансформатора энергии низкой плотности в энергию высочайшей плотности. Образно говоря, полимеры превращают тепло в свет. А тогда, если водянистая вода может хоть в некий степени рассматриваться как квази-полимер, то и в ней могут осуществляться подобные процессы.
Модель структурированной воды определяет практически все её аномальные характеристики, имеющие большущее практическое значение — вода самое аномальное из всех узнаваемых природе веществ. Поперечник молекулы воды 2,8 А (1 ангстрем = 10-10м). Если рассматривать воду как ординарную совокупа молекул Н2О, то оказывается, что её удельный вес должен составлять 1,84 г/см3, а температура её кипения будет равна 63,5°С. Но, как понятно, при обычной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г/см3, а бурлит вода при 100°С. Исходя из этого, следует представить, что снутри воды должны быть пустоты, где нет молекул Н2О, другими словами воде присуща особенная структура. Это принципное открытие было изготовлено английским физиком Берналом. С того времени в этой области проведено огромное количество исследовательских работ, но полной ясности в этом вопросе еще как бы нет.
Способность молекул воды создавать определенные структуры, базирована на наличии так именуемых водородных связей. Эти связи не хим природы. Они просто разрушаются и стремительно восстанавливаются, что делает структуру воды только изменчивой. Конкретно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды безпрерывно появляются типичные ассоциаты воды, её структурные элементы. Связь в таких ассоциатах именуется водородной. Она является очень слабенькой, просто разрушаемой, в отличие от ковалентных связей, к примеру, в структуре минералов либо всех хим соединений.Рис. Структура водянистой воды. В воде кластеры временами разрушаются и образуются опять. Время перескока составляет 10-12 секунд.
Любопытно, что свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды находятся в воде только в очень маленьком количестве. В главном же вода – это совокупа хаотичных ассоциатов и «водяных кристаллов», где количество связанных в водородные связи молекул может достигать сотен и даже тыщ единиц.
«Водяные кристаллы» могут иметь самую разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых структур). В базе же всего лежит тетраэдр (простая пирамида в четыре угла). Конкретно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул H2O образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. И из всего обилия структур в природе базисной, судя по всему (пока только не точно доказанное предположение) является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда 6 молекул воды (тетраэдров) соединяются воединыжды в кольцо.
Таковой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых созданий.
Рис. 1. Кристаллическая структура льда
Любая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к верхушкам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в 2-ух верхушках — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При содействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы появляется водородная связь, наименее мощная, чем связь внутримолекулярная, но довольно могущественная, чтоб задерживать рядом примыкающие молекулы воды.
Любая молекула может сразу создавать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к верхушкам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при всем этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр верный).
Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и появляется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс показан ниже.
Изучить строение этих образующихся полимеров воды оказалось достаточно трудно, так как вода – смесь разных полимеров, которые находятся в равновесии меж собой. Сталкиваясь вместе, полимеры перебегают один в другой, распадаются и вновь образуются.
Поделить эту смесь на отдельные составляющие тоже фактически нереально. Только в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского института (г. Беркли, США) под управлением доктора Р.Дж.Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а потом и гексамера воды. К этому времени уже было установлено, что водянистая вода состоит из полимерных ассоциатов (кластеров), содержащих от 3-х до 6 молекул воды.
На рисунке ниже показано строение три-, тетра-, пента-, и гексамера воды. Они все цикличны, т. е. образуют достаточно устойчивые «кольца».
Более сложным оказалось строение гексамера. Самая обычная структура – 6 молекул воды в верхушках шестиугольника, – как выяснилось, не настолько высокопрочна, как структура клеточки.
Более того, структуры призмы, раскрытой книжки либо лодки тоже оказались наименее устойчивыми.
В шестиугольнике может быть только 6 водородных связей, а экспериментальные данные молвят о наличии восьми. Это означает, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными связями.
Структуры кластеров воды были найдены и на теоретическом уровне, нынешняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того, конкретно сравнением экспериментально отысканных и рассчитанных характеристик удалось обосновать, что полимеры имеют то строение, которое описано выше.
В 1999 г. Станислав Зенин провёл вместе с Б. Полануэром (на данный момент в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали наинтереснейшие результаты. Применив современные способы анализа, как-то рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии исследователям удалось найти полиассооциаты — «кванты» воды.
Рис. Вероятные кластеры воды
Объединяясь вместе, кластеры могут создавать более сложные структуры:
Рис. Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более размеренными. Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные меж собой водородными связями четыре (обычный тетраэдр) либо 5 молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр). Рис. Тетраэдр
Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды
Рис. ниже — Формирование кластера из 20 молекулы воды.
Согласно догадке С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных больших структур «ассоциатов» (clathrates), в базе которых лежит кристаллоподобный «квант воды», состоящий из 57 ее молекул, которые ведут взаимодействие вместе за счет свободных водородных связей. При всем этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды.
Вода на 80% состоит из таких частей, 15% — кванты-тетраэдры и 3% — традиционные молекулы Н2О. Таким макаром, структура воды связана с так именуемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).
При всем этом у каждой из молекул воды в обычных тетраэдрах сохраняется способность создавать водородные связи. За счет их обыкновенные тетраэдры могут объединяться меж собой верхушками, ребрами либо гранями, образуя разные кластеры со сложной структурой, к примеру, в форме додекаэдра.
Рис. ниже — Додекаэдр
Таким макаром, в воде появляются постоянные кластеры, которые несут внутри себя очень огромную энергию и информацию очень высочайшей плотности. Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с очень высочайшим упорядочением, которую мы только знаем), поэтому их также именуют «жидкими кристаллами» либо «кристаллической водой». акая структура энергетически прибыльна и разрушается с освобождением свободных молекул воды только при больших концентрациях спиртов и схожих им растворителей [Зенин, 1994]. «Кванты воды» могут вести взаимодействие вместе за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями.
При всем этом может быть образование уже 2-ух типов структур второго порядка. Их взаимодействие вместе приводит к возникновению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина фактически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и разъясняется, к примеру, высочайшая текучесть воды, состоящей из большенных полимеров.
Таким макаром, вода представляет собой вроде бы иерархически организованный водянистый кристалл. Изменение положения 1-го структурного элемента в этом кристалле под действием хоть какого наружного фактора либо изменение ориентации окружающих частей под воздействием добавляемых веществ обеспечивает, согласно догадке Зенина, высшую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных частей недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин ворачивается в начальное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому обоюдному расположению структурных частей воды оказывается энергетически прибыльным, то в новеньком состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить «память воды» и ее информационные характеристики [Зенин, 1997].
Рис. Формирование отдельного кластера воды (компъютерное моделирование)
Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком разных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, все же, изменять её структуру.
Доктор Мартин Чаплин высчитал и представил иную структуру воды, в базе которой лежит икосаэдр.
Рис. Формирование икосаэдра воды
Рис. Огромный икосаэдр воды
Картинки НИЖЕ
Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды — это вдвое больше, чем в модели Зенина. Огромный икосаэдр в свою очередь состоит из 13 более маленьких структурных частей. При этом, так же как и у Зенина, структура огромного ассоциата базируется на более маленьких образованиях.
С почтением,
К.х.н. О. В. Мосин