Новые результаты исследования структуры воды
Новые результаты исследования структуры воды
Узкий опыт совершенно точно обосновал, что кластеры воды владеют большенными электронными дипольными моментами. Попутно выяснилось, что отдельные кластеры не леденеют даже при минус 150 градусах Цельсия. Структура воды становится еще больше увлекательной, чем числилось ранее. 
Невзирая на ординарную хим формулу, вода — вещество с очень нетривиальными качествами. Причина этого в том, что молекулы воды связаны вместе водородными связями. В водянистом состоянии вода представляет собой не просто мешанину молекул, а сложную и динамически меняющуюся сеть из аква кластеров. Каждый отдельный кластер живет очень маленькое время, но конкретно поведение кластеров оказывает влияние на структуру воды.
Характеристики и динамика аква кластеров (H20)n — предмет активных исследовательских работ. В отличие от железных кластеров с их фиксированной пространственной структурой, водные кластеры размером от нескольких до нескольких 10-ов молекул даже при температурах ниже комнатной остаются водянистыми: у таких кластеров есть много равноправных форм, меж которыми они безпрерывно перескакивают.
Такая особенность аква кластеров отражается и на их электронных свойствах. Как понятно уже более полвека, молекула воды — полярна. Положительные и отрицательные заряды в ней немного сдвинуты друг относительно друга, и в итоге она обладает достаточно огромным дипольным моментом и делает вокруг себя электронное поле. Если взять сильно много молекул (к примеру, стакан воды), то дипольные моменты отдельных молекул скомпенсируются, и суммарное электронное поле пропадет, в чём нас уверяет и ежедневный опыт. При каком конкретно числе молекул происходит этот переход? Владеют ли сами кластеры дипольными моментами?
До сего времени точных ответов на эти вопросы не было. Экспериментальные данные, приобретенные за последние 20 лет, противоречили друг дружке. Главное препятствие заключалось в том, что во всех этих опытах изучались кластеры в толще воды, в их конкретной «среде обитания». «Вытащить» же отдельный кластер и изучить его электронные характеристики до сего времени не удавалось.
Опыты, проведенные исследовательской группой из Института Южной Калифорнии, положили конец разногласиям. Их результаты, размещенные в недавнешней статье R. Moro et al., Physical Review Letters, 97, 123401 (18 September 2006), обосновали, что кластеры, содержащие от 3 до 18 молекул воды, тоже владеют огромным дипольным моментом.
Впечатляет опыт, позволивший придти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узенькое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум. Отверстие имело форму маленького реактивного сопла, и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения, избегающая нагрева, позволяет получить пар, состоящий не только лишь из отдельных молекул воды, да и из различных аква кластеров. Струйка пара проходила через камеру метровой длины с неоднородным электронным полем, немного отклонялась в электронном поле, а потом попадала в масс-спектрограф, который расщеплял ее на несколько отдельных пучков в согласовании с количеством молекул в кластере. По отклонению струйки в электронном поле и измерялся дипольный момент кластеров.
Конкретное измерение дипольного момента кластеров различного размера уже само по себе имеет огромное значение для осознания структуры воды. Вправду, выходит, что когда кластеры воды «складываются» в сплошную среду, они ощущают друг дружку не только лишь через конкретный контакт, да и через электронное взаимодействие диполей. Но опыт калифорнийских физиков позволил найти не только лишь это.
Во-1-х, данные свидетельствуют о том, что большие кластеры (содержащие больше восьми молекул) электрически более упорядоченны, чем мелкие. Этот любознательный переход никем не был предсказан, и как его интерпретировать — пока не понятно. Во-2-х, экспериментаторам удалось провести опыты в 2-ух различных температурных режимах: когда температура снутри кластеров была около 200 К (–70°C) и около 120 К (–150°C). Некие теоретические расчеты предвещали, что при таких температурах водные кластеры должны уже замерзнуть, что очень изменило бы зависимость дипольного момента от количества молекул. В опыте, но, схожее изменение параметров не обнаружилось, из-за чего приходится делать вывод, что и при таких температурах кластеры остаются водянистыми.
Это исследование еще раз обосновало, что система, состоящая из очень обычных частей, — к примеру, вода — может владеть очень нетривиальными качествами. Для детализированного осознания структуры и динамики воды требуются новые опыты и новые теоретические исследования.
Источник: elementy.ru/.