Вода – тончайший баланс квантовых эффектов делает жизнь возможной


Континенталист, 9.04.2016 10:46   –   cont.ws


Вода… Мы воспринимаем её как что-то обыденное, само собой разумеющееся, но вода имеет много необычных химических и физических характеристик, которые очень важны для живых существ.

Например, вода имеет аномально высокую теплоёмкость, то есть необходимо большое количество тепла (по сравнению со многими другими жидкостями), чтобы нагреть её всего на градус. Это свойство позволяет млекопитающим регулировать температуру их тела. Она имеет меньшую плотность в замёрзшем состоянии, чем в жидком (благодаря чему лёд поднимается вверх и рыбы выживают в частично замёрзших реках и озёрах). Среди других важных особенностей воды – большой диапазон температур жидкого состояния, а также высокое поверхностное натяжение и вязкость.

Структура сети, которую образуют молекулы воды, соединяясь с помощью межмолекулярных водородных связей (показаны пунктирными линиями)

Эти и многие другие уникальные свойства воды обязаны своим существованием водородным мостикам, связывающим отдельные молекулы воды в кластеры. То есть вода – это не «простая», а «связанная» жидкость – она представляет собой некоторого рода стабильную сеть молекул, соединённых водородными связями (см. рисунок).

А недавно было открыто, что стабильность этой сети, а значит, и удивительные свойства воды находятся прямо-таки на лезвии ножа. Дело в том, что принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что никакая молекула не может иметь определённого положения относительно других, поэтому длины водородных связей должны постоянно меняться. Это дестабилизирует сеть, что, в свою очередь, лишило бы воду многих её особенных свойств.

Поэтому учёных давно удивляло, как молекулы воды (H2O) могут сохранять стабильную сеть водородных связей под воздействием этих дестабилизирующих квантовых эффектов, то есть, почему «хрупкая структура воды не распадается полностью». До недавнего времени это оставалось полной загадкой.

Однако физик-теоретик Томас Маркланд (Стэнфордский университет, Калифорния) предположил, что в связях внутри молекул воды действует другой квантовый эффект, причём его действие компенсирует действие первого. То есть два квантовых эффекта находятся в тончайшем равновесии, благодаря чему сохраняется структура сети.

Недавнее исследование, сравнивающее квантовые механизмы, действующие в обычной воде и в «тяжёлой воде» (оксид дейтерия, D2O) подтвердило эту гипотезу. Как говорит сам Томас Маркланд: «по счастливой случайности в молекулах воды действуют два квантовых эффекта, которые нейтрализуют друг друга».

А журнал New Scientist сделал такой вывод:

Мы уже привыкли к мысли, что физические константы вселенной тонко настроены для жизни. Похоже, что квантовые силы воды можно добавить к этому списку «тонкой настройки».

Тончайшее равновесие – по счастливой случайности? Слава Богу, мы-то знаем, что тонкая настройка – это никакая не случайность, а очередной пример и потрясающее свидетельство удивительного замысла.

Алексей Калько

Форма молекул водяного льда в нанотрубках должна походить на структуру ДНК

Подробная компьютерная модель показала, что молекулы воды при отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок кристаллизуется в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Компьютерные эксперименты проводились в Университете штата Небраска (США) под руководством Сяо Чэн Цзэна.

Вода в моделируемом эксперименте “помещалась” в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех запусках имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Подробная компьютерная модель показала, что молекулы воды при отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок кристаллизуется в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Компьютерные эксперименты проводились в Университете штата Небраска (США) под руководством Сяо Чэн Цзэна.

Вода в моделируемом эксперименте “помещалась” в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех запусках имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Общий вид структуры воды 

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H2O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных “трубок” соединенных между собой, как пчелиные соты.

Внутренняя стенка структуры воды 

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Ранее Цзэн входил в группу учёных, которая открыла в 2001 году образование внутри нанотрубок водой тонких ледяных трубок при отрицательных температурах. Такое поведение воды предсказывалось несколькими годами ранее. Теперь Цзэн надеется, что новое предсказание также найдёт подтверждение в реальных опытах, где форма молекул может быть установлена при помощи инфракрасной сектроскопии или нейтронного рассеяния, сообщает New Scientist со ссылкой на издание Proceedings of the National Academy of Sciences.

Источник

Вода. Новое измерение (2013). Документальный фильм

Опубликовано: 2 окт. 2013 г.

С того времени как ученые выдвинули гипотезу о существовании у воды памяти, наука совершила огромный скачок в этой области. Сегодня структурные особенности Н2О используются в медицине, биологии, физике, химии и даже в астрономии. И это еще не предел. Благодаря изучению простой воды перед человечеством открываются все новые и новые возможности. Шаг за шагом ученые приходят к сенсационному выводу, близкому к истории сотворения мира, изложенной в Библии: жизнь, от элементарных частиц и до галактик во вселенной, - это программа, запись, то есть направленный информационный процесс, связанный с уникальными свойствами воды, познав которые человек сможет управлять миром.

Фильм “Вода. Новое измерение” не утверждает, а представляет реальные факты. Верить или нет - дело каждого. Главное, что возникает желание задуматься над этим и поразмышлять. Обрести новые знания и жить долго и счастливо в нашем непростом, удивительном и вечно меняющемся мире.

Let’s block ads! (Why?)

Сегодня в СМИ





Свежие комментарии