Структура воды

К.х.н. О.В. Мосин

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — правильный тетраэдр.

Строение молекулы воды (рисунок справа)

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи — спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Водородные связи между молекулами воды (рисунок ниже слева)

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии — параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т. е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода — это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.

Первым идею о том, что вода состоит из двух компонентов, высказал Уайтинг в 1884 году. Его авторство цитирует Э.Ф. Фрицман в монографии “Природа воды. Тяжёлая вода”, изданной в 1935 году. В 1891 году В. Ренгтен ввёл представление о двух состояниях воды, которые различаются плотностью. После неё появилось множество работ, в которых воду рассматривали как смесь ассоциатов разного состава (“гидролей”).

Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма — кварце. Увеличение плотности воды при нагревании от 0 до 4°C объяснялось присутствием при низкой температуре тридимитовой компоненты. Таким образом, модель Бернала — Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение — идея непрерывной тетраэдрическои сетки. Тогда появился знаменитый афоризм И. Ленгмюра: „Океан — одна большая молекула“. Излишняя конкретизация модели не прибавила сторонников теории единой сетки.

Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так конкретна, как модель Бернала — Фаулера. Попл представлял воду как случайную тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Когда в 60–70-е годы появились первые определения структуры льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух состояний ещё долго разделяли многие учёные.

Но во второй половине XX века нельзя было так фантазировать о составе и строении „гидролей“, как это делали в начале века. Уже было известно, как устроен лёд и кристаллогидраты, и многое знали про водородную связь. Помимо „континуальных“ моделей (модель Попла), возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку (обычно в этом контексте называемую каркасом) водородных связей, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.

Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги: предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий.

Первую модель клатратного типа в 1946 году предложил О.Я. Самойлов: в воде сохраняется подобная гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой частично заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году создал другой вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х наблюдается сближение всех этих взглядов. Появлялись варианты кластерных моделей, в которых в обеих микрофазах молекулы соединены водородными связями. Сторонники клатратных моделей стали допускать образование водородных связей между пустотными и каркасными молекулами. То есть фактически авторы этих моделей рассматривают воду как непрерывную сетку водородных связей. И речь идёт о том, насколько неоднородна эта сетка (например, по плотности). Представлениям о воде как о водородно-связанных кластерах, плавающих в море лишённых связей молекул воды, был положен конец в начале восьмидесятых годов, когда Г. Стэнли применил к модели воды теорию перколяции, описывающую фазовые переходы воды.

В 1999 г. известный российский исследователь воды С.В. Зенин защитил в Институте медико-биологических проблем РАН докторскую диссертацию, посвященную кластерной теории, которая явилась существенным этапом в продвижении этого направления исследований, сложность которых усиливается тем, что они находятся на стыке трех наук: физики, химии и биологии. Им на основании данных, полученных тремя физико-химическими методами: рефрактометрии (С.В. Зенин, Б. В. Тяглов, 1994), высокоэффективной жидкостной хроматографии (С.В. Зенин с соавт., 1998) и протонного магнитного резонанса (С.В. Зенин, 1993) построена и доказана геометрическая модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а затем (С.В. Зенин, 2004) получено изображение с помощью контрастно-фазового микроскопа этих структур.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

На рисунке (В.Л. Воейков) в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур.

 

Некоторые возможные структуры кластеров воды

Переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей. Воздействующим объектом может быть и человек.

Вода является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. Наименее хаотичное электромагнитное излучение создаёт структурированная вода. В таком случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических объектов.

В течение последних лет получены важные данные о свойствах переохлаждённой воды. Изучать воду при низкой температуре очень интересно, поскольку её удаётся сильнее переохладить, чем другие жидкости. Кристаллизация воды, как правило, начинается на каких-то неоднородностях — либо на стенках сосуда, либо на плавающих частичках твердых примесей. Поэтому найти температуру, при которой бы переохлаждённая вода самопроизвольно закристаллизовалась нелегко. Но учёным удалось это сделать, и сейчас температура так называемой гомогенной нуклеации, когда образование кристаллов льдов идёт одновременно по всему объёму, известна для давлений вплоть до 0,3 ГПа, то есть захватывая области существования льда II.

От атмосферного давления до границы, разделяющей льды I и II, эта температура падает от 231 до 180 К, а потом слегка увеличивается — до 190К. Ниже этой критической температуры жидкая вода невозможна в принципе.

Структура льда (рисунок справа)

Однако с этой температурой связана одна загадка. В середине восьмидесятых годов была открыта новая модификация аморфного льда — лёд высокой плотности, и это помогло возрождению представлений о воде как о смеси двух состояний. В качестве прототипов рассматривались не кристаллические структуры, а структуры аморфных льдов разной плотности. В наиболее внятном виде эту концепцию сформулировали Е.Г. Понятовский и В.В. Синицин, которые в 1999 году написали: „Вода рассматривается как регулярный раствор двух компонентов, локальные конфигурации в которых соответствуют ближнему порядку модификаций аморфного льда“. Более того, изучая ближний порядок в переохлаждённой воде при высоком давлении методами дифракции нейтронов, учёным удалось найти компоненты, соответствующие этим структурам.

Следствием полиморфизма аморфных льдов стали также предположения о расслоении воды на два несмешивающихся компонента при температуре ниже гипотетической низкотемпературной критической точки. К сожалению, по оценке исследователей, эта температура при давлении 0,017 ГПа равна 230К — ниже температуры нуклеации, поэтому наблюдать расслоение жидкой воды никому ещё не удалось. Так возрождение модели двух состояний поставило вопрос о неоднородности сетки водородных связей в жидкой воде. Разобраться в этой неоднородности можно только с помощью компьютерного моделирования.

Говоря о кристаллической структуре воды, следует отметить, что известно 14 модификаций льда, большинство из которых не встречаются в природе, в которых молекулы воды и сохраняют свою индивидуальность, и соединены водородными связями. С другой стороны существует множество вариантов сетки водородных связей в клатратных гидратах. Энергии этих сеток (льдов высокого давления и клатратных гидратов) ненамного выше энергий кубического и гексагонального льдов. Поэтому фрагменты таких структур также могут появляться в жидкой воде. Можно сконструировать бесчисленное множество различных непериодических фрагментов, молекулы в которых имеют по четыре ближайших соседа, расположенных приблизительно по вершинам тетраэдра, но при этом их структура не соответствует структурам известных модификаций льда. Как показали многочисленные расчёты, энергии взаимодействия молекул в таких фрагментах будут близки друг к другу, и нет оснований говорить, что какая-то структура должна преобладать в жидкой воде.

Структурные исследования воды можно изучать разными методами; спектроскопией протонного магнитного резонанса, инфракрасной спекроскопии, дифракцией рентгеновских лучей и др. Например, дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов в воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода — исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов — функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Из них видно, что никакого дальнего порядка в расположении молекул воды нет. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого — 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.

Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры.

Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.

В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр — коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. Чтобы судить о коэффициенте самодиффузии по квазиупругому рассеянию нейтронов, необходимо сделать предположение о характере движения молекул. Если они движутся в соответствии с моделью Я.И. Френкеля (известного отечественного физика-теоретика, автора „Кинетической теории жидкостей“ — классической книги, переведённой на многие языки), называемой также моделью „прыжок-ожидание“, тогда время „осёдлой“ жизни (время между прыжками) молекулы составляет 3,2 пикосекунды. Новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни разорванной водородной связи: протону требуется 200 фс для того, чтобы найти себе партнёра. Однако всё это средние величины. Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно только при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом.

Так выглядит структура воды по результатам компьютерного моделирования (по данным д.х.н. Г. Г. Маленкова). Общую беспорядочную структуру можно разбить на два типа областей (показаны тёмными и светлыми шариками), которые различаются по своему строению, например по объёму многогранника Вороного (а), степени тетраэдричности ближайшего окружения (б), значению потенциальной энергии (в), а также по наличию четырёх водородных связей у каждой молекулы (г). Впрочем, эти области буквально через мгновение, спустя несколько пикосекунд, изменят свое расположение.

Моделирование проводится так. Берётся структура льда и, нагревается до расплавления. Затем после некоторого времени, чтобы вода «забыла» о кристаллическом происхождении, снимаются мгновенные микрофотографии.

Для анализа структуры воды выбираются три параметра:
— степень отклонения локального окружения молекулы от вершин правильного тетраэдра;
-потенциальная энергия молекул;
-объём так называемого многогранника Вороного.

Чтобы построить этот многогранник, берут ребро от данной молекулы до ближайшей, делят его пополам и через эту точку проводят плоскость, перпендикулярную ребру. Получается объём, приходящийся на одну молекулу. Объём полиэдра — это плотность, тетраэдричность — степень искажения водородных связей, энергия — степень устойчивости конфигурации молекул. Молекулы с близкими значениями каждого из этих параметров стремятся сгруппироваться вместе в отдельные кластеры. Области как с низкой, так и с высокой плотностью обладают разными значениями энергии, но могут иметь и одинаковые значения. Эксперименты показали, что области с разным строением кластеры возникают спонтанно и спонтанно распадаются. Вся структура воды живёт и постоянно меняется, причём время, за которое происходят эти изменения, очень маленькое. Исследователи следили за перемещениями молекул и выяснили, что они совершают нерегулярные колебания с частотой около 0,5 пс и амплитудой 1 ангстрем. Наблюдались также и редкие медленные скачки на ангстремы, которые длятся пикосекунды. В общем, за 30 пс молекула может сместиться на 8-10 ангстрем. Время жизни локального окружения тоже невелико. Области, составленные из молекул с близкими значениями объёма многогранника Вороного, могут распасться за 0,5 пс, а могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико. Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение — несколько пс.

В заключение следует подчеркнуть, что теория кластерного строения воды имеет много подводных камней. Например, Зенин предполагает, что основной структурный элемент воды — кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров. Они имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. То, что молекулы воды могут располагаться по вершинам пентагонального додекаэдра, известно давно; такой додекаэдр — основа газовых гидратов. Поэтому ничего удивительного в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что никакая конкретная структура не может быть преобладающей и существовать долго. Поэтому странно, что этот элемент предполагается главным и что в него входит ровно 57 молекул. Из шариков, например, можно собирать такие же структуры, которые состоят из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается на 57 молекулах. Более крупных ассоциатов, по его мнению, быть не должно. Однако если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы гексагонального льда, которые содержат огромное число молекул, связанных воедино водородными связями. Совершенно неясно, почему рост кластера Зенина остановился на 57 молекулах. Чтобы уйти от противоречий, Зенин и упаковывает кластеры в более сложные образования — ромбоэдры — из почти тысячи молекул, причём исходные кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Почему? Чем молекулы на их поверхности отличаются от тех, что внутри? По мнению Зенина, узор гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает память воды. Следовательно, молекулы воды в этих крупных комплексах жёстко фиксированы, и сами комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть весьма высокой.

Какие свойства воды объясняет модель Зенина? Поскольку в основе модели лежат тетраэдрические постройки, её можно в той или иной степени согласовать с данными по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Однако вряд ли модель может объяснить уменьшение плотности при плавлении — упаковка додекаэдров менее плотная, чем лёд. Но труднее всего согласуется модель с динамическими свойствами — текучестью, большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции и диэлектрической релаксации, которые измеряются пикосекундами.

К.х.н. О.В. Мосин

Cписок литературы:
Г.Г. Маленков. Успехи физической химии, 2001
С.В.Зенин, Б.М. Полануер, Б.В. Тяглов. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды. Ж. Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997.№2.С.42-46.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенин Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенин, Б.В.Тяглов. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергеев, З.А. Шабарова. Исследование внутримолекулярных взаимодействий в нуклеотидамидах методом ЯМР. Материалы 2-й Всесоюзной конф. По динамич. Стереохимии. Одесса.1975.с.53.
С.В. Зенин. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем. Диссертация. Доктор биологических наук. Государственный научный Центр «Институт медико-биологических проблем» (ГНЦ «ИМБП»). Защищена 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 с.
В.И. Слесарев. Отчет о выполнении НИР по теме: «Воздействие фрактально-матричных транспарантов «Айрес» на характеристики структурно-информационного свойства воды». Санкт-Петербург. 2002.
С.В. Зенин, М.Ф.Меркулов, Д.Г. Мирза. Исследование медико-биологических свойств матричных аппликаторов «Айрес». Результаты апробации матричных аппликаторов «Айрес». СПб,2000.с.14-21.
Масару Эмото. Послания воды: Тайные коды кристаллов льда. Перев. с англ. М. ООО Издательский дом «София».2005.
Резников К.М. Вода жизни //Прикладные информационные аспекты медицины. – 2001. – Т.4. — №2. С.3-10.
О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец. Биотехнология, Исследование физиологической адаптации бактерий к тяжёлой воде. 2001 г.

Галерея — картинки кластеров воды, полученных компъютерным моделированием

Официальный сайт школы №1 города Коммунара. Школьные работы. Влияние звуковых волн на структуру воды.

Цель: Изучение влияния звуковых волн на структуру воды.
Вода – источник жизни на Земле, поэтому изучение её свойств — крайне важно и актуально всегда. Человек на 80% состоит из воды. Вода вездесуща и везде необходима. Функции воды весьма разнообразны. Среди ее свойств множество еще не изученых человеком и считаются аномальными. Многие христианские обряды связаны с водой, в т.ч. освящение и крещенские купания, святая и заговоренная вода. Считается, что такая вода обладает целебной и магической силой. Так ли это?

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода «оголяются». Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — правильный тетраэдр. Группы молекул, соединенных водородными связями (кластеры) при разной температуре разные – от двух при температуре испарения, до нескольких десятков при замерзании. Внутри кластера имеются полости, в которых недостаточно места для помещения молекулы другого вещества, но вполне могут концентрироваться и храниться различные волны.

Японский исследователь доктор Масару Эмото провел ряд широко известных на сегодняшний день исследований в области структуры воды. Он брал воду с разных источников, в том числе дистиллированную воду и воду из водопровода, и при помощи жидкого азота резко охлаждал, вследствие чего появлялись кристаллики льда, которые исследовали под высокочастотным микроскопом.

Проведя такое исследование, он выяснил, что кристаллы льда, полученные из водопровода мегаполиса, были сильно деформированы и некрасивы, в отличие от воды из горных ручьев, чьи кристаллы были столь чисты и красивы, что поражали воображение.

В следующих опытах доктор Эмото брал обыкновенную дистиллированную воду, и наклеивал на пробирки с ней надписи с позитивными эмоциональными пожеланиями, например: Спасибо, любовь, благополучие и т.д., и негативными: ты дурак, зло, ненависть и прочее. После заморозки кристаллы с позитивными надписями стали очень красивыми, яркими и многомерными, а кристаллы из воды с негативными надписями, превратились в полуразрушенные, уродливые и темные.

Так же, исследования показали, что вода, которой говорят теплые и добрые слова, со временем не стареет, даже по прошествии месяцев, а вода, которой говорят слова с негативным оттенком, протухает буквально в считанные дни.

Данная работа состоит в проверке гипотезы сохранения звуковой информации в структуре воды.

Метод исследования заключается в замораживании конденсата на холодном стекле и изучении полученного рисунка. Опыт проведен в трех вариантах:
   1. Контроль – естественные звуки внешней среды;
   2. Чтение молитвы;
   3. Тяжелая рок-музыка.

При изучении морозных рисунков на стекле, выявлено, что все они отличаются друг от друга. На одних рисунках кристаллы воды смотрелись более округлыми. Правильной формы ( при прочтении молитвы), другие более острыми и угловатыми. При многократном повторении рисунок кристаллов изменяется незначительно.

   Вывод: звуковые волны влияют на структуру воды, изменяя её.

                            Автор:
                          Харитончик Вероника
                    Руководитель:
            Петролай Валентина Сафроновна (учитель химии)

Более подробно узнать о влиянии звуковых волн на структуру воды можно изучив исследовательскую работу Вероники и её презентацию. Тезисы её доклада размещены в сборнике «XXXV Всероссийская научно-практическая конференция школьников по химии» — СПбГУ: 2011.

Доклад Харитончик Вероники с использованием презентации
1. Тема моей работы – вода.
2. Нам кажется, что воду мы знаем все. Нам кажется, что о воде мы знаем всё. Это самое известное вещество на нашей планете. Так ли это?
3. Оказывается не так. Вода хранит в себе много тайн и загадок. Она не подчиняется многим физическим законам, проявляет абсолютно необъяснимые свойства, благодаря которым и возникла жизнь на Земле. Многие из этих свойств считаются аномальными.
4. Недавно был праздник крещения. Многие окунались в проруби. Но перед тем как купаться священник освещал воду, и мне стало интересно: действительно ли вода после прочтения молитвы приобретает какие-то необычные свойства?

5. Поэтому я поставила перед собой цель: раскрыть хотя бы одно из этих свойств – Способна ли вода сохранять информацию? 6 Поиск ответа на этот вопрос начала со строения молекулы.
Вода состоит из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода, соединённых ковалентной полярной связью. У кислорода имеются две неподелённые электронные пары, которые тоже могут образовывать химическую связь по донорно-акцепторному механизму (донор-кислород предоставляет пару электронов, а водород – орбиталь). Валентный уголь в молекуле воды составляет 105° (угол Н-О-Н). Однако молекулы воды в свободном виде в жидкой воде составляют только 3%, остальные соединяются в группы.

7. Эти группы называются кластеры. Соединение молекул в кластеры происходит с образованием водородных связей (связь между водородом 1-й молекулы с кислородом другой). При этом каждая молекула может присоединять 4 другие молекулы, образуя ТЕТРАЭДР. При образовании водородных связей электронная плотность перераспределяется, и все углы уравниваются, то есть равны 109°28?. Водородные связи воды имеют особое свойство, они могут изменяться в пространстве, изменяя форму кластера. При создании модели кластера, можно увидеть, что очертания его удлинённые, следовательно, льдинки при замерзании имеют форму иголочек.

Внутри кластера имеются пустоты, что объясняет увеличение объёма при замерзании воды. Из таких льдинок-кластеров состоит 80% чистой воды.
8. В жидкой воде встречаются разные кластеры, самый крупный состоит из 57 молекул. 6 таких кластеров, соединяясь вместе, образуют структурный элемент воды, размером 912 молекул.

9. Согласно гипотезе японского экспериментатора Масару Эмото и российских учёных Зенина, Резникова, Мосина, вода представляет шести лучевой кластер. Форма кластеров зависит от состояния водородных связей, следовательно, снежинки могут быть разные. На состояние водородных связей и пустот в кластерах влияют различные воздействия внешней среды, в том числе звуковые волны.

10. Вопросом влияния звуковых волн на воду уже заинтересовались многие учёные. Самые известные сторонники этой теории — японский ученый Ямото Масара, который провёл множество экспериментов доказывающих эту теорию, и наш соотечественник С. В. Зенин, защитивший дисертацию по этой теории.
11. Японский исследователь Масару Эмото (Masaru Emoto) приводит удивительные доказательства информационных свойств воды. По результатам его работы опубликованы книги «The Messages from Water» 1, 2 и «Water knows the answer».
12 — 23. Так выглядят кристаллы воды при различных условиях.

24. Своим экспериментом я решила проверить гипотезу учёных о влиянии звуковых волн на структуру воды, были проведены 2 эксперимента:
   1) Изменение структуры воды под действием звука разной силы и частоты.
   2) Воздействие воды, подвергнутой звуковой обработке, на живой организм.
25. Талую воду при температуре 24 градуса по Цельсию в стакане, емкостью 50 мл. помещается в морозильную камеру, накрывается охлажденным стеклянным колпаком. Вода испаряется и на стенках колпака оседает конденсат. Через 40 мин. он замерзает, образуя рисунки разного узора.

26. В контрольном варианте рисунок более спокойный, кристаллы в основном круглые, равномерное распределение по стеклу.

27. Вода, над которой была прочтена молитва, кристаллизовалась с образованием красивого узора, очертания кристаллов в основном круглые и овальные, местами кристаллы образовали веточки.
28. Рисунок, образованный водой «прослушавшей» металлический рок, представлен, в основном, кристаллами игольчатой формы, образующие длинные линии, местами почти параллельные. В некоторых местах скопления кристаллов в виде звездочек неправильной формы.

29. Исходя из этого можно сделать вывод, что звуковые волны оказывают влияние на формирование кристаллов льда.
30. Для второго опыта я использовала декоративное растение Клещевина императрица, потому, что это растение имеет крупные красивые семена. Проращивала их в талой воде, дважды в день воздействуя звуком по вариантам первого опыта.

31. Уже на второй день были видны первые результаты:
   1. При приблизительно одинаковом набухании семян во всех трех вариантах, набухание семенного рубчика более активно наблюдается в вариантах с чтением молитвы и естественным звуковым фоном.
   2. В варианте с рок-музыкой набухание происходит неравномерно.
32. На 3 день в варианте с чтением молитвы наблюдается растрескивание семенной кожуры.
33. Так выглядит итог трехдневного наблюдения изменения семенного рубчика. Семена, обработанные рок-музыкой значительно отстают.
34. Структура воды, измененная воздействием звуковых волн, оказывает воздействие на энергию прорастания семян декоративного растения клещевина императрица.

35. Человек состоит на 80% из воды. И если структура её меняется под воздействием звуков, а это и слова, которые мы друг другу говорим каждый день, и эти слова не всегда приятные.
     Завершить своё выступление хочу словами поэта Вадима Шефнера: Словом можно убить, словом можно спасти, Словом можно полки за собой повести. Поэтому «…Давайте говорить друг другу комплименты…»

Форма воды: Как выглядят молекулы воды

изображение: Сочетание методов анализа данных с моделированием молекулярной динамики может помочь нам понять структуру воды на поверхности материалов. посмотреть больше 

Кредит: Токийский университет науки

Понимание различных молекулярных взаимодействий и структур, возникающих между молекулами поверхностной воды, позволит ученым и инженерам разрабатывать все виды новых гидрофобных/гидрофильных материалов или улучшать существующие. Например, трение, вызванное водой на кораблях, можно уменьшить с помощью инженерии материалов, что приведет к повышению эффективности. Другие области применения включают, помимо прочего, медицинские имплантаты и противообледенительные поверхности для самолетов. Однако явления, происходящие в поверхностных водах, настолько сложны, что Токийский университет науки (Япония) учредил специальный исследовательский центр под названием «Наука и технология водного фронтира», в котором различные исследовательские группы решают эту проблему с разных сторон (теоретический анализ, экспериментальные исследования, разработка материалов и т. д. ). Профессор Такахиро Ямамото возглавляет группу ученых в этом центре, и они пытаются разгадать эту загадку с помощью моделирования микроскопических структур, свойств и функций воды на поверхности материалов.

В частности, для этого исследования, которое было опубликовано в Японском журнале прикладной физики , исследователи из Токийского научного университета в сотрудничестве с исследователями из отдела научных решений Mizuho Information & Research Institute, Inc. взаимодействия между молекулами воды и графеном, материалом на основе углерода с нейтральным зарядом, который можно сделать атомарно плоским. «Поверхностная вода на углеродных наноматериалах, таких как графен, привлекла большое внимание, потому что свойства этих материалов делают их идеальными для изучения микроскопической структуры поверхностных вод», — объясняет профессор Ямамото. В предыдущих исследованиях уже указывалось, что молекулы воды на графене имеют тенденцию образовывать стабильные многоугольные (двумерные) формы как в поверхностной воде, так и в «свободной» воде (молекулы воды вдали от поверхности материала). Более того, было отмечено, что вероятность обнаружения этих структур в поверхностных водах резко отличалась от в свободной воде. Однако необходимо установить различия между поверхностной и свободной водой, и переход между ними трудно проанализировать с использованием обычных методов моделирования.

Принимая во внимание эту ситуацию, исследовательская группа решила объединить метод, взятый из науки о данных, называемый постоянной гомологией (PH), с моделированием молекулярной динамики. PH позволяет характеризовать структуры данных, в том числе содержащиеся в изображениях/графике, но его также можно использовать в материаловедении для поиска стабильных трехмерных структур между молекулами. «Наше исследование представляет собой первый случай использования PH для структурного анализа молекул воды», — отмечает профессор Ямамото. С помощью этой стратегии исследователи смогли лучше понять, что происходит с молекулами поверхностной воды, когда сверху добавляется больше слоев воды.

Когда один слой молекул воды укладывается поверх графена, молекулы воды выстраиваются так, что их атомы водорода образуют стабильные полигональные структуры с разным количеством сторон за счет водородных связей. Это «фиксирует» ориентацию и относительное положение этих молекул воды первого слоя, которые теперь формируют формы, параллельные слою графена. Если добавить второй слой молекул воды, молекулы из первого и второго слоев образуют трехмерные структуры, называемые тетраэдрами, которые напоминают пирамиду, но с треугольным основанием. Любопытно, что эти тетраэдры в основном направлены вниз (к графеновому слою), потому что такая ориентация «энергетически выгодна». Другими словами, порядок первого слоя передается второму, чтобы сформировать эти трехмерные структуры с постоянной ориентацией. Однако по мере добавления третьего и более слоев образующиеся тетраэдры не обязательно указывают вниз, а вместо этого, кажется, могут указывать в любом направлении, раскачиваемые окружающими силами. «Эти результаты подтверждают, что пересечение поверхностной и свободной воды происходит только в трех слоях воды», — объясняет профессор Ямамото.

Исследователи предоставили видео одной из своих симуляций, в которой выделены эти двухмерные и трехмерные структуры, что позволяет понять полную картину. «Наше исследование — хороший пример применения современных методов анализа данных для получения новых и важных сведений», — добавляет профессор Ямамото. Более того, эти предсказания не должно быть трудно экспериментально измерить на графене с помощью методов атомно-силовой микроскопии, которые, без сомнения, подтвердят существование этих структур и дополнительно подтвердят комбинацию используемых методов. Профессор Ямамото заключает: «Хотя графен представляет собой довольно простую поверхность, и мы могли бы ожидать более сложных водных структур на других типах материалов, наше исследование дает отправную точку для обсуждения более реалистичных поверхностных эффектов, и мы ожидаем, что оно приведет к контролю над поверхностные свойства».

###

О Токийском научном университете

Токийский научный университет (TUS) — известный и уважаемый университет, а также крупнейший специализированный частный исследовательский университет в Японии с четырьмя кампусами. в центре Токио и его пригородах и на Хоккайдо. Основанный в 1881 году, университет постоянно вносит свой вклад в развитие науки в Японии, прививая любовь к науке исследователям, техническим специалистам и преподавателям.

С миссией «Создание науки и техники для гармоничного развития природы, человека и общества» TUS провел широкий спектр исследований от фундаментальных до прикладных наук. TUS применил междисциплинарный подход к исследованиям и провел интенсивные исследования в некоторых из наиболее важных на сегодняшний день областей. TUS — это меритократия, в которой признаются и поощряются лучшие в науке. Это единственный частный университет в Японии, выпустивший лауреата Нобелевской премии, и единственный частный университет в Азии, выпускающий лауреатов Нобелевской премии в области естественных наук.

Веб-сайт: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

О профессоре Такахиро Ямамото из Токийского научного университета

Такахиро Ямамото работает в Токийском научном университете с 2003 г. , когда он стал научным сотрудником кафедры физики. С тех пор он постепенно поднимался до получения звания профессора на факультетах гуманитарных наук (физики) и электротехники. Теперь он руководит своей собственной лабораторной группой, которая занимается использованием квантово-теоретического моделирования для понимания физических свойств материалов. Кроме того, он работает в Исследовательском центре науки и технологий Water Frontier, где возглавляет исследовательскую группу, целью которой является изучение свойств поверхностных вод с помощью теоретических исследований и моделирования.

Информация о финансировании

Эта работа была частично поддержана грантами на исследовательские исследования (№ 17H02756 и 16H02079) Японского общества содействия развитию науки (JSPS). Эта работа также была поддержана Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT) в рамках Программы Фонда стратегических исследований в частных университетах на 2015-2019 годы.

---

---

Журнал

Японский журнал прикладной физики

DOI

10.7567/1347-4065/ab6564

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Как выглядят молекулы?

Любопытные дети — серия для детей всех возрастов. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, отправьте его на адрес любопытногоkidsus@theconversation.com.

---

Как выглядят молекулы? – Джастис Б., 6 лет, Уимберли, Техас

---

Молекула представляет собой группу атомов, связанных вместе. Молекулы составляют почти все вокруг вас — вашу кожу, ваш стул и даже вашу еду.

Они различаются по размеру, но очень малы. Вы не можете увидеть отдельную молекулу своими глазами или даже микроскопом. Они в 100 000 раз меньше ширины волоса.

Самая маленькая молекула состоит из двух слипшихся атомов, а большая молекула может состоять из 100 000 или более атомов. Молекула может быть повторением одного и того же атома, например молекулы кислорода, которым мы дышим, или может состоять из множества атомов, например молекула сахара, состоящая из углерода, кислорода и водорода.

Но как выглядят молекулы? Все начинается с их строительных блоков: атомов.

Противоположности притягиваются

Частицы вещества, из которых состоит атом, не одинаковы. Они могут иметь положительный заряд, отрицательный заряд или не иметь заряда. Ученые называют их протонами, электронами и нейтронами.

Атом золота имеет плотный центр, состоящий из 79 протонов и 118 нейтронов, с более густым облаком из 79 электронов вокруг него. Иллюстрация создана Galarza Creador.

Незаряженные нейтроны и положительно заряженные протоны образуют тяжелый центр атома. Отрицательно заряженные электроны окружают этот маленький центр.

Когда атомы приближаются друг к другу, чтобы потенциально соединиться и образовать молекулы, отрицательные электроны в одном атоме притягиваются к положительным протонам в другом, и наоборот. Оба атома приспосабливаются соответственно.

Когда атом один, отрицательные электроны, окружающие его центр, симметричны. При сближении двух атомов отрицательные электроны одного атома движутся к положительному центру другого атома. Кристин Хелмс, CC BY-SA

Это можно сравнить с попыткой выбрать место в классе. Есть некоторые правила. Например, вы должны оставаться в классе и не можете сидеть на ком-то сверху. Следуя этим правилам, вы можете попытаться сесть рядом со своими друзьями и подальше от врагов. Поиск идеального положения, чтобы все в классе были счастливы, похоже на поиск идеального положения атомов в молекуле. Иногда атомы не могут найти удачное расположение, и молекулы не образуются.

Увидеть невидимое

Если молекулы слишком малы, чтобы их можно было разглядеть невооруженным глазом или даже мощным микроскопом, то как их видят ученые? Ответ заключается в том, что они разработали для этого специальные инструменты.

В одном инструменте используются рентгеновские лучи, о которых вы, возможно, знаете, поскольку врачи используют их, чтобы увидеть кости в теле. Рентгеновские лучи — это тип света, который человеческий глаз не может видеть, например, ультрафиолетовый или инфракрасный свет.

Когда ученые направляют рентгеновские лучи на молекулы, некоторые из них отражаются. Ученые могут записывать эти отраженные рентгеновские лучи и использовать их модели, чтобы выяснить, как выглядят отдельные молекулы.

Рентгеновские лучи, отражающиеся от атомов белковой молекулы, образуют черные точки на изображении выше. Расположение этих точек говорит ученым, как атомы расположены в молекуле. Del45/Wikimedia Commons, CC BY

В 1912 году одной из первых молекул, увиденных таким образом, была соль (NaCl) — молекула, которая составляет ингредиент, который мы все знаем и любим в картофеле фри.

Ученые изобрели и другие методы наблюдения за молекулами. Подобно тому, как электроны меняют свое поведение, когда два атома сближаются, центр атома также может изменить свое поведение. Метод, называемый ядерным магнитным резонансом, обнаруживает эти изменения в центре атома и использует их в качестве подсказки, чтобы определить, какие атомы находятся поблизости.

Атомно-силовой микроскоп работает как хлипкая доска для прыжков в воду, которая трясется, когда вы идете и прыгаете по ней. Но этот трамплин чрезвычайно мал, настолько мал, что отрицательный заряд на его конце изгибает его к положительному центру атома. Перемещая этот трамплин и наблюдая, как он изгибается, можно показать расположение атомов в молекуле.

Анимация, показывающая, как работает атомно-силовой микроскоп.

Еще один метод, который ученые разработали для наблюдения за молекулами, называется криоэлектронной микроскопией. Во-первых, ученые замораживают молекулы до температуры, намного более низкой, чем температура снега или льда. Затем они стреляют электронами в молекулу и собирают те, которые проходят, чтобы создать изображение. Этот метод получил Нобелевскую премию по химии в 2017 г.

Всех форм и размеров

Так как же выглядят молекулы? Они представляют собой группу атомов, центр которой содержит большую часть материала, а остальная часть представляет собой в основном пустое пространство. У каждого атома есть определенное положение, в котором он счастлив, как и ученики в этом классе.

Схемы атомов, составляющих молекулы бензола (слева) и фуллерена (справа). Джинто (слева) Бенджа-bmm27 (справа)/Wikimedia Commons

Каждая молекула уникальна, некоторые действительно разные. Например, бензол плоский, как блин, а фуллерен – круглый, как шар. Penguinone можно нарисовать похожим на пингвина, в то время как другие молекулы кажутся совершенно случайными. Но положение атомов в молекуле никогда не бывает случайным.

Хотя ученым известно, как выглядят многие молекулы, некоторые из них мы все еще пытаемся выяснить. Знание этих ответов может привести к изобретениям новых материалов и лекарств.