Секреты растворений. Вода преподносит ученым все новые сюрпризы.
Наука
№ 6(2019)

08.02.2019

Вода - самое распространенное на нашей планете неорганическое соединение. Она играет основополагающую роль в возникновении и поддержании жизни на Земле. И об этом, казалось бы, простом и всем известном соединении мы на самом деле знаем далеко не все.
Существует большое количество различных теорий и моделей воды, объединенных понятием о водородных связях как основном факторе, определяющем ее структуру. Это, например, модель непрерывной сетки (Бернал - Фаулер, Попл), в которой у каждой молекулы воды есть четыре ближайших соседа, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. В кластерной модели (Немети и Шераги) вода представляется в виде групп атомов, соединенных водородными связями, которые плавают в море молекул, в этих связях не участвующих. Модель клатратных структур (Самойлов, Полинг) рассматривает воду как совокупность водородных связей, содержащую пустоты, в которых размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами “каркаса”.
Накоплен огромный массив информации о свойствах воды в различных условиях, но общепринятой модели структуры воды до сих пор не существует. Поэтому вокруг воды и водных растворов идут постоянные околонаучные спекуляции.
По аномальным физико-химическим свойствам вода превосходит все природные вещества. Если бы вода, она же гидрид кислорода, была нормальным мономолекулярным соединением (таким, например, как у других элементов шестой группы Периодической системы), то в жидком состоянии она существовала бы в диапазоне от минус 90oС до минус 70oС.
Важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать свой объем (а не сокращать его, как это обычно бывает), а значит, уменьшать плотность. Еще одно уникальное свойство воды - ее аномально высокая теплоемкость - делает моря и океаны гигантским регулятором температуры нашей планеты. Общеизвестна исключительная способность воды растворять любые вещества, что определяется ее очень большой диэлектрической постоянной, равной 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10.
Все перечисленное вызывает огромный интерес исследователей. Изучение свойств воды проводят с помощью самых разных физических методов. Обсуждению этих методов, а также полученных с их помощью результатов была посвящена конференция “Физика водных растворов”, которая не так давно прошла в Институте общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН). Мероприятие получилось представительным: в его работе приняли участие около ста специалистов из разных городов России.
Приветствуя коллег, академик-секретарь Отделения физических наук РАН, научный руководитель ИОФ РАН Иван Щербаков призвал при обсуждении экспериментальных результатов находить объяснения, не противоречащие фундаментальным основам физики.
Большое внимание было уделено результатам лазерного воздействия на водные растворы. Напомню историю вопроса. Сразу после появления лазеров в начале 60-х годов А.М.Прохоровым с сотрудниками был открыт светогидравлический эффект. Он состоит в том, что при фокусировке лазерного излучения в жидкость в ней за счет схлопывания воздушных пузырей, образующихся под действием лазера (кавитации), возникает ударная волна, которая может разрушать находящиеся в жидкости “мишени”. Впоследствии с использованием этого эффекта был создан уникальной медицинский комплекс “Лазурит” для разрушения камней в организме человека.
Светогидравлический эффект позволяет объяснить и результаты, представленные в докладе Георгия Шафеева (ИОФ РАН), о диссоциации (распаде) водных растворов под действием лазерного излучения на молекулярные водород и кислород, а также перекись водорода. Можно предположить, что при кавитации наноразмерных пузырьков воздуха образуются кластеры из наноразмерных частиц, всегда присутствующих в водных растворах, что приводит к усилению лазерного электромагнитного поля на их поверхности и стимулирует процессы диссоциации молекулы воды под действием электронного удара образовавшейся плазмы. Появляющаяся перекись водорода обладает высокой биологической активностью. С этим, видимо, связано и стимулирующее воздействие таких растворов на развитие растений при определенных (достаточно малых) концентрациях перекиси.
Интересные результаты по исследованию свойств водных растворов малой концентрации представил Николай Бункин (МГТУ им. Н.Э.Баумана). Он показал, что при разведении водных суспензий белковых частиц вплоть до концентрации 10-24 от исходной в растворе остаются нанообъекты размером десятки и сотни нанометров. Одним из объяснений наличия исходных частиц в растворе даже при таких концентрациях может быть их агрегация с микропузырьками газа, которые всегда присутствуют в жидкости.
Никита Пеньков (Институт биофизики клетки РАН) предложил способ исследования широкого класса растворов с помощью метода террагерцовой спектроскопии, позволяющий изучать высокоразбавленные растворы и структурированность воды в присутствии примесей. Он показал возможность влияния высокоразбавленных растворов на свойства исходного вещества.
В докладе Алексея Шкирина (ИОФ РАН) было продемонстрировано, что вещества, признанные полностью растворимыми, тем не менее присутствуют в виде частиц размером порядка 100 нанометров при большом разведении. Наличие нанообъектов в среде, прежде считавшейся гомогенной, может существенно влиять на свойства растворов, в том числе на их химическую и биологическую активность.
Новые подходы к поиску физических механизмов низкоконцентрационных эффектов в водных растворах изложил и Геннадий Ляхов (ИОФ РАН), представивший аналитические модели термодинамики жидких сред с короткоживущими водородными связями, построенные с использованием математического аппарата случайных процессов.
Представляется плодотворной высказанная в результате обсуждения докладов гипотеза академика И.Щербакова о том, что в ряде случаев при высоких степенях разбавления водных растворов нарушается корреляция между концентрацией вещества и степенью разведения. Это может показаться парадоксальным, но нельзя исключать, что существует такая концентрация, которую невозможно понизить никаким числом разбавлений, поскольку в ходе них образуются новые объекты или структуры (например, в результате той же кавитации).
Состоявшаяся дискуссия подтвердила: вода все еще хранит множество секретов и продолжает преподносить ученым сюрпризы. Чтобы занимающиеся этой темой исследователи могли встречаться, общаться, делиться опытом, было решено проводить такие конференции ежегодно.

Владимир ПУСТОВОЙ,
руководитель отдела лазерной физики ИОФ РАН


Вернуться к статье