Відкрито нове четверте стан молекул води

Сенсаційне відкриття зробили американські фізики: за допомогою комп'ютерного моделювання і нейтронного розсіювання вони виявили абсолютно новий стан молекул води - нетипове ні для одного з трьох відомих агрегатних станів.

Як відомо, вода має три основних агрегатних стани - рідке, тверде й газоподібне. Однак під великим тиском і в тісному просторі молекули води демонструють ще один стан і живуть при цьому не за класичними, а по квантовим законам фізики.

Дослідники з Національної лабораторії в Оук-Рідж (Oak Ridge National Laboratory) спільно з лабораторією Резерфорда-Еплтона (Rutherford Appleton Laboratory) провели експеримент, щоб з'ясувати, який стан приймає рідина в мікротріщинах гірських порід, грунті, а також в ході проходження через клітинні мембрани . Однак відкриття виявилося куди більш серйозних та неочікуваних.

В ході експерименту воду поміщали в шестикутні сверхмалі канали в мінералі берил (хімічна формула Be3Al2Si6O18). Цей мінерал - основа смарагдів. Діаметр вивчених каналів становить всього 0,5 нанометра. Як виявилося, молекули води демонструють квантовий ефект тунелювання, долаючи потенційний бар'єр. Такий стан води ніколи раніше не спостерігалося вченими і не відповідало якимось типовим станів цієї речовини.

Само по собі це явище (квантове тунелювання) вже давно відомо, але раніше завжди вважалося, що воно існує лише в квантовій механіці.

При низьких температурах (5-50 К) ця "тунельна" вода демонструє квантові властивості, що в класичному світі неможливо. "У цьому випадку атоми кисню і водню є" делокалізованимі "і, отже, одночасно присутні в шести симетричних позиціях в каналі", - пояснює провідний автор дослідження Олександр Колесников в прес-релізі на сайті Американського фізичного товариства (APS).

Дослідження зразків за допомогою нейтронного розсіювання, а також подальше комп'ютерне моделювання можливих варіантів, показало, що атоми молекули води "делокалізуются" в просторі всередині шестигранного каналу, тобто у них немає якоїсь однієї орієнтації. Вони знаходяться одночасно у всіх шести можливих позиціях.

Простою мовою цей феномен можна описати таким чином. Уявімо молекулу води в шестигранному каналі. У молекулі є атом кисню, який розташовується майже точно по центру каналу, а пара відрядив звернена до однієї з шести стінок каналу. Провернутися всередині каналу і перейти з однієї орієнтації в іншу молекула води фізично не може - канал для цього занадто вузький - точніше, так вважалося раніше.

В ході роботи з'ясувалося, що молекула води все-таки може поміняти орієнтацію від однієї стінки до іншої, при цьому не побувавши в якомусь середньому положенні - вона тунелює з початкової до кінцевої точки повороту (долаючи той самий потенційний бар'єр між двома можливими положеннями) . Крім того, оскільки всі шість положень еквівалентні, то туннелирование відбувається між усіма положеннями однаково. Складно уявити це, оперуючи поняттями класичної фізики, але можна уявити, що пара атомів водню в молекулі H2O начебто "розмазується" всередині каналу, утворюючи щось на зразок бублика щільності навколо центру каналу.

"Експерименти показали, що середня кінетична енергія атомів водню молекули води, що знаходиться в тунельному стані при температурі, близької до температури абсолютного нуля, приблизно на 30 відсотків менше, ніж енергія атомів водню води в звичайному рідкому або твердому стані", - розповідає Олександр Колесников на сайті Оук-Ріджской лабораторії, - і цей факт повністю суперечить усім існуючим моделям і теоріям ".

Цікаво, що для того, щоб молекули води перейшли в тунельний стан, недостатньо "загнати" їх в будь-яку вузьку порожнину. Як показали комп'ютерні розрахунки, "каталізатором" переходу молекул води в тунельний стан є коливання структури кристала берилу.

Ще один цікавий факт - це те, що так звана "берилові вода" не має дипольного моменту. Як відомо, в звичайних умовах атоми водню в молекулі води заряджені позитивно і "дивляться" в одну сторону, а атом кисню, який заряджений негативно, - в іншу. Однак в мінералі молекула води взагалі не має позитивно і негативно заряджених "полюсів".

Ймовірно, пишуть "Вести", відкриття нового стану молекул води в берилі допоможе зрозуміти її термодинамічні властивості в різних геологічних умовах, а також в замкнутих середовищах (наприклад, в вуглецевих нанотрубках).

Дослідники з Оук-Ріджа і Лабораторії Резерфорда-Еплтона не сумніваються, що їх відкриття спричинить за собою безліч дискусій в біологічних, геологічних і фізико-математичних колах: тепер важливо буде пояснити механізм нового явища і зрозуміти, як воно подіє на кожну наукову сферу.

Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters.

Дивитися також ... 23 / 07 / 2013 У Швеції навчилися переробляти піт в питну воду25 / 03 / 2014 Вчені розкрили один із секретів води17 / 01 / 2012 "Ла-Нінья" може впливати на поширення пташиного гріппа29 / 02 / 2012 Кавові жуки навчилися є зерна кава, "вкравши" ген у бактеріі07 / 08 / 2012 Підвищення кислотності вод може порушити харчові ланцюги в океане07 / 02 / 2012 Запах тухлих яєць нестерпним робить мідь на слизовій оболонці носа17 / 09 / 2014 Стародавні мексиканці рятувалися від голоду алкоголем17 / 01 / 2012 Біологи перетворили дріжджі з одноклітинного в багато клітинний організм07 / 12 / 2012 Червоні овочі та фрукти знижують ризик розвитку раку груді23 / 07 / 2014 Виробництво яловичини більше шкодить екологіі17 / 09 / 2013 Розкрито секрет неприємного смаку вина з «коркової хворобою» 15 / 10 / 2013 Капуста і брокколі здатні захистити від променевої болезні26 / 06 / 2014 Вчені знайшли причину епідемій пташиного гріппа30 / 11 / 2012 Іркутському заводу розливу мінеральних вод пред'явили претензії 14 / 01 / 2013 Nestle робить ставку на Китай

Додати коментар

Вашу адресу електронної пошти не буде опублікований. Обов'язкові поля позначені *