Site Loader

Содержание

Учёные обнаружили сегнетоэлектричество в распределённых по нанопорам кристалла молекулах воды

Учёным из МФТИ и ряда зарубежных и отечественных коллективов впервые удалось надёжно реализовать и зафиксировать электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

(На фото — кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Источник — предоставлена авторами статьи.)

В физике твёрдого тела явление существования электрической упорядоченности — взаимной ориентации электрических дипольных моментов — называется сегнетоэлектричеством. Поскольку молекула воды (H₂O) обладает очень большим дипольным моментом (около 1,9 Д; Д — дебай, единица измерения электрического дипольного момента), то можно было бы ожидать, что в жидкой воде эти моменты будут взаимодействовать и как-то взаимно сориентируются, проявят сегнетоэлектрические свойства.

Однако, в жидкой воде подобной ориентации не происходит: молекулы расположены так близко друг к другу, что взаимодействие между ними определяется не дипольной природой, а более короткодействующими водородными связями, которые подавляют дальнодействующие диполь-дипольные силы (взаимодействие стрелочек — молекулярных диполей).

Ситуация кардинально меняется, когда молекулы воды вступают во взаимодействие с какими-либо сторонними структурами или поверхностями, либо помещаются в замкнутые полости достаточно малого (масштаба нанометров) объёма. Тогда роль водородных связей можно приуменьшить за счёт их «переориентации» на эти дополнительные взаимодействия. Вот здесь-то и могут выйти на первый план взаимодействия между водяными диполями.


Рисунок: Молекулы воды в структуре берилла. Красная стрелка — обозначение электрического дипольного момента. Источник — пресс-служба МФТИ.

Коллективу исследователей удалось найти неожиданный и оригинальный способ заставить взаимодействие дипольных моментов молекул воды пересилить водородные связи. Они смогли поместить отдельные молекулы H₂O в наноразмерные полости, образованные ионами кристаллической решётки берилла — минерала, принадлежащего к семейству драгоценных камней (изумруд и аквамарин — наиболее известные разновидности берилла). Эти полости располагаются периодически (что облегчает математический анализ) и, что важно, на таком расстоянии (5–10 ангстрем, стотысячных долей сантиметра), при котором водородные связи (характерная длина взаимодействия 1–2 Å) уже не работают, а диполь-дипольные силы (характерная длина взаимодействия 10–100 Å) всё ещё существенны.

Сегнетоэлектрики имеют несколько особых свойств — «отпечатков пальцев» (fingerprints), которые позволяют экспериментально доказать наличие электрической упорядоченности в какой-либо системе. Это, например, зависимость диэлектрической проницаемости от температуры по закону Кюри – Вейсса, а также наличие мягкой моды (особой линии поглощения) в оптических спектрах и её определённая температурная зависимость. Все эти признаки учёные обнаружили в «растворённой» в берилле воде.

«Нашему коллективу впервые удалось реализовать условия для надёжного наблюдения взаимной ориентации электрических моментов молекул воды. Что касается практических применений обнаруженного явления, то область возможных приложений может быть весьма обширной. Вдобавок, у исследователей появилась возможность изучить влияние на это явление различных факторов: температуры, давления, ионного окружения, и продвинуться в понимании роли явления в различных процессах живой и неживой природы», — говорит Борис Горшунов, руководитель Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.

По словам учёных, электрические поля, формируемые ориентированными молекулами воды в условиях их «запирания» в наномасштабных областях — в условиях наноконфайнмента, могут играть ключевую роль в различных явлениях биологии, химии, геологии, метеорологии и даже в процессе формирования планет Солнечной системы.


Результаты многочисленных компьютерных расчётов и моделирований действительно предсказывают упорядочение дипольных моментов молекул воды в ситуациях, когда водородные связи «переключаются», «закорачиваются» на искусственно создаваемые поверхности или полости, такие, например, как углеродные нанотрубки или двумерные металлические подложки. Экспериментально же такого типа сегнетоэлектричество в подсистеме молекул H₂O до сих пор не наблюдалось, несмотря на многократные попытки экспериментаторов по всему миру.

Свойства воды дипольные — Справочник химика 21

    Все галогеноводороды хорошо растворимы в воде. Водные растворы их обладают кислотными свойствами и носят название галогеноводородных кислот. Объясняется это сильной полярностью связей Н — Г, приводящей к диссоциации под действием дипольных молекул воды по этой связи НГ + (п + т) Нр -> Н+ пИЛ + Г- тН О = НЧ- Г. 
[c.63]

    Трифторид азота NF3 в обычных условиях — бесцветный газ (т. кип. —129°С, т. пл. —209°С). Получают его при окислении аммиака фтором. Молекула NFs имеет пирамидальное строение (см. рис. 38), dNF=l,37A, FNF=102°. В отличие от h4N дипольный момент NF3 очень мал, всего 0,2D (стр. 81). Электронодонорных свойств NF3 практически не проявляет. По отношению к нагреванию и различным химическим воздействиям трифторид весьма устойчив, вступает в реакции только выше 100°С. В воде он практически нерастворим, гидролиз начинает протекать лишь при пропускании электрической искры через смесь его с водным паром. 

[c.397]


    Эта формула дает лучшую сходимость с опытом, чем формула Борна. Метод Ван-Аркеля и де-Бура отличается от борновского тем, что в нем процесс гидратации разделяется на два этапа. Энергия образования первого гидратного слоя вычисляется на основе взаимодействия между газообразным ионом и полярными молекулами воды, т. е. взаимодействия, происходящего вне сферы жидкой фазы. Такой способ расчета позволяет учесть свойства отдельных молекул воды (их дипольные моменты, поляризуемость и т. п.). Поэтому при рассмотрении процесса образования первого гидратного слоя, где эти свойства особенно важны, появляется возможность отказаться от представления о воде лишь как о среде с определенной диэлектрической пропицаемостью. Поскольку на второй стадии цикла в воду вносится ион, уже частично гидратированный, с радиусом, зиачителглю большим, чем радиус исходного иона, то одна и та же ошибка в его определении здесь будет иметь меньи ее значение. Возмуихения, вызванные введением такого гидратированного иоиа в воду, будут меньшими, и представление о воде как о непрерывной среде с определенной диэлектрической проницаемостью, а следовательно, и применение формулы (2.14) оказываются более оправданными, чем в методе Борна. Молекулу воды Ван-Аркель и де-Бур представляют себе в виде с([)еры с радиусом 0,125 нм и электрическим моментом диполя, равкым 6,17-10 ° Кл.м (1,85 0). 
[c.59]

    При рассмотрении электрических свойств молекул было показано, как ведут себя дипольные молекулы в поле заряженной частицы или иона. Попытаемся распространить изложенное воззрение на процесс обезвоживания веществ активны.ми молекулами или ионами. Процесс обезвоживания сводится к удалению из вещества молекул растворителя. Если растворителем вещества являются жидкости, молекулы которых обладают постоянным дипольным моментом, то при сообщении (ему энергии первыми, как правило, вырвутся из него молекулы, обладающие максимальным дипольным моментом. По всей вероятности, такие молекулы лри вылете из вещества могут иметь и своих спутников — молекул с меньшим дипольным моментом. При этом вылет комплексных молекул из вещества происходит в результате взаимодействия молекул с различным дипольным моментом. Дипольные молекулы в силу асимметрии обладают большей способностью к колебательным и вращательным движениям и находятся как бы в неустойчивом положении в веществе. В качестве примера можно привести процесс обезвоживания окрашенной ацетилцеллюлозы (вальцмассы), растворителем которой являются ацетон и вода. Дипольный момент 

[c.187]


    Особенно показательно сопоставление структур и физических свойств воды и диметилового эфира. В жидкой воде молекулы держатся вместе благодаря диноль-дипольным взаимодействиям между положительными атомами водорода и отрицательными атомами кислорода. Форма молекулы воды допускает разнообразные расположения в молекулярных агрегатах лишь бы только частичные заряды были обращены к (противоположным) зарядам близлежащих молекул. В молекулах диметилового эфира эти частичные заряды загорожены относительно неполярными углерод-водородными связями. Отсюда следует, что диполь-дипольные взаимодействия должны преодолевать большие расстояния и их эффект соответственно уменьшается. Модели молекулярных агрегатов воды и эфира изображены на рис. 7.4. 
[c.161]

    Многие свойства воды, такие, как значительный дипольный момент, амфотерный характер, большая диэлектрическая проницаемость и, наконец, ее доступность и легкость очистки, ставят воду как растворитель в особое положение. Но в некоторых случаях неводные среды могут быть применены с большим успехом. Началом исследований в этой области является применение теории Дебая—Хюккеля к неводным растворителям, используемым в качестве среды в органических реакциях. Некоторые неводные растворители, например безводный фтористый водород, применяются в промышленном масштабе. Поэтому удивительно, что еще так мало известно о многих неводных растворителях. 

[c.505]

    Наиболее важным свойством молекулы воды является наличие у нее дипольного момента. Именно это определяет ее структуру (см. гл. V) и в значительной мере функциональную активность растворенных в ней макромолекул. Молекулы, играющие основную роль в живых клетках, при растворении в воде оказываются заряженными и подвергаются гидратации. Они окружены оболочками из молекул воды, которые притягиваются к ним, благодаря взаимодействию электрических зарядов. Небольшая, но все-таки ощутимая диссоциация воды на ионы Н+ и ОН позволяет регулировать кислотно-основное равновесие в клетках. Все эволюционное развитие определялось и формировалось в соответствии со свойствами воды. Однако если бы все части клетки были раство- [c.176]

    Полярность карбонильной группы обусловливает многие из свойств альдегидов и кетонов. Температуры кипения для низших членов этих рядов на 50—80° выше, чем для углеводородов той же молекулярной массы это можно видеть из данных табл. 14-3 (физические свойства альдегидов и кетонов) и табл. 3-3 (физические свойства -алканов). Дипольные моменты большинства альдегидов и кетонов близки к 2,7 Д, что соответствует 40—50% ионного характера связи в карбониле. Для альдегидов и кетонов с низкой молекулярной массой характерна большая растворимость в воде. [c.470]

    Каждое вещество в данном растворителе и при данных условиях характеризуется определенной степенью ионизации. Степенью ионизации вещества в растворе называется отношение числа ионизированных молекул к общему числу растворенных. Степень ионизации в основном определяется электроно-донорными и электроно-акцеп-торными свойствами растворенного вещества и растворителя. Для многих соединений наиболее сильно ионизирующими растворителями являются вода, жидкие аммиак и фторид водорода. Эти соединения состоят из дипольных молекул и склонны к донорно-акцепторному взаимодействию и образованию водородной связи. Например, НС1 хорошо ионизируется в воде, что связано с превращением водородной связи НаО- -H l в донорно-акцепторную [НгО—Н] +  [c.161]

    Внимательный анализ показывает, что это не так. Свойства воды в сущности не неожиданны, это вполне закономерный переход количественных факторов в качественные. Размеры молекул гидридов теллура, селена, серы и кислорода уменьшаются от теллура к кислороду, дипольный момент растет, напряженность электрического поля около молекулы увеличивается. Вместе с тем уменьшается число электронов, окружающих атом неметалла, от- [c.40]

    Наличие дипольных моментов у адсорбционных комплексов влияет на структуру и структурно-механические свойства паст и суспензий, а также частично и на процессы твердения вяжущих веществ. Две формы связей воды с поверхностью твердых частиц (адсорбционная и свободная) оказывают влияние и на процессы сушки сырьевых смесей. [c.260]

    Водородные связи. Соединения, содержащие кислород-водородные или азот-водородные связи, обнаруживают признаки ассоциации, которая, если судить по молекулярному весу, дипольным моментам и молекулярной поляризуемости этих соединений, превышает все ожидания. К примеру, вода, у которой атомы не обладают высокой поляризуемостью, плавится при 0° и кипит при 100°, между тем как диметиловый эфир, метиловый спирт и ацетон-соединения с более высоким молекулярным весом — кипят при —24, 65 и 57° соответственно и плавятся при очень низких температурах. Нет большой разницы и в дипольных моментах этих веществ. Следовательно, исключительно высокая степень ассоциации воды должна объясняться каким-то коротко дистанционным взаимодействием, которое находит свое отражение не во всех макроскопических свойствах молекул воды. Из сопоставления физических свойств воды, метилового спирта и диметилового эфира следует, что гидроксильная группа имеет резко выраженное специфическое влияние на физические свойства. [c.161]


    Спектроскопические исследования молекул воды в газообразном состоянии позволили сделать вывод о нелинейном их строении. Ядра атомов молекулы воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами в основании и кислородом в вершине. Причем угол связи Н—О—Н для низшего колебательного уровня равен 105° 03, а межъядерные расстояния О—Н и Н—Н 0,9568 и 1,54 A [66,319] молекуле воды свойственен дипольный момент 1,86 D, но несмотря на это, при решении многих вопросов правильное истолкование свойств воды возможно только на основе изучения строения электронного облака ее молекулы. Описание молекулы воды в этом плане проводят при помощи электростатических моделей, моделей, [c.159]

    Из предыдущего изложения видно, что определенные свойства воды можно довольно удовлетворительно объяснить исходя из величины углов, образуемых химическими связями, и из электростатических сил, обусловленных распределением зарядов. Поскольку размеры и заряды простых ионов сравнимы с размерами и заряда ш молекул воды, естественно ожидать, что ионы должны притягивать эти молекулы, следствием чего будет образование ион-дипольных связей. Поэтому в растворах, содержащих ионы, структура воды должна быть существенно изменена. [c.15]

    Ассоциация воды и спиртов приводит к заметному изменению их физических свойств. По сравнению с веществами, не образующими водородных связей, они при относительно малом дипольном моменте имеют более высокую температуру кипения, более высокую диэлектрическую проницаемость и т. д. [c.248]

    Точные нейтронографические исследования показали, что чем короче (сильнее) связь А-Н, тем длиннее (слабее) водородная связь А-Н…В. Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами воды и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные свойства воды и льда. Водородная связь ограничивает размеры белковых молекул и обусловливает их геометрическую структуру. [c.74]

    Эти величины, выраженные в логарифмических единицах и приведенные в последней графе таблицы, изменяются от 3,5 для уксусной кислоты до 0,8 для 2,6-динитрофенола. Это показывает, что различное влияние ацетона на силу кислот при переходе от смеси диоксана с водой (смешанный растворитель обладает химическими свойствами, близкими к воде, но диэлектрической проницаемостью ацетона) определяется прежде всего отличием в энергии сольватации (взаимодействия) анионов кислот с дипольными [c.338]

    Рассмотрим результаты расчета некоторых свойств объемной фазы воды для двух моделей. В модели межмолекулярного потенциала ST2 [340] используются четыре точечных заряда, расположенных в вершинах тетраэдра. Электростатическое взаимодействие плавно выключается при малых расстояниях между молекулами. Короткодействующие силы отталкивания учитываются потенциалом Леннарда — Джонса 6-12 между атомами кислорода. Дипольный момент. молекулы воды равен 2,35 Д, а абсолютный минимум энергии.-димера воды составляет 28,4 кДж/моль при расстоянии 0,285 нм между атомами кислорода. [c.120]

    Наиболее удобными методами изучения кластеров (НгО) (л>2) являются различные варианты масс-спектроскопической техники [363]. Естественно, что чем ниже температура эксперимента, тем более крупные кластеры (с большим п) удается наблюдать. Так, удалось зарегистрировать в спектре пик, соответствующий п= [368] и /г = 36 (температура 77 К) [369]. При температуре жидкого азота были зарегистрированы положительно заряженные кластеры с л от 1 до 40 [370]. В работе [371] удалось наблюдать отрицательно заряженные кластеры, содержащие вплоть до 50 молекул воды. В этой работе была сделана попытка изучить структуру этих кластеров методом электронной дифракции. Авторы приходят к выводу, что по своей структуре эти кластеры не являются фрагментами кристаллов льда, а аморфны. Были также оценены дипольные моменты кластеров с л от 2 до 6 дипольные моменты кластеров с п = = 3- 6 близки к нулю, что, по мнению авторов, свидетельствует о циклическом характере их структуры [361]. Много экспериментальных данных о существовании и свойствах кластеров, состоящих из нескольких десятков молекул воды, приводится в работе [372]. [c.133]

    В работе [43] показано, что изменение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленочной воды с утончением пленки свидетельствует о вырождении дипольной ориентационной поляризуемости молекул воды в пленке, обусловленном действием полей поверхностных молекул сорбента. Поэтому уменьшается вклад пленочной воды в диэлектрические свойства обрабатываемого материала по мере утончения пленки. Если принять, что фактор потерь связанной жидкости зависит от толщины пленки h по некоторому закону 62″ = Л )> то формулу (7.34) можно записать в [c.168]

    Эти свойства жидкой воды связаны с необычайностью ее структуры, которая и заключается в наличии водородной связи, образующейся в молекулах воды вследствие существования неподелен-ных электронных пар. Электронные пары расположены на двух орбиталях, лежащих в плоскости, перпендикулярной к плоскости НОН (рис. 1.5). За счет неподеленных пар электронов в каждой молекуле воды могут возникнуть две водородные связи. Еще две связи могут обеспечить два водородных атома. Таким образом, только одна молекула воды в состоянии образовать четыре водородных связи. Благодаря этому результирующее распределение зарядов в молекуле воды напоминает тетраэдр, два угла которого заряжены положительно, а два — отрицательно. Результирующий центр положительных зарядов находится посредине между протонами. Он отделен от результирующего центра отрицательных зарядов, расположенного вблизи атома кислорода с противоположной Т5Т протона стороны. Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем с дипольным моментом, равным Кл-м (отсюда и высокая диэлектрическая проницаемость воды, и связанная с ней способность растворять ионные вещества). [c.23]

    Углеводородный радикал (в простейшем случае прямая насыщенная алкильная цепочка) имеет дипольный момент, равный нулю или близкий к таковому, и проявляет гидрофобные свойства, т. е. практически не имеет молекулярного сродства к воде. Вместе с тем он проявляет сродство к близким по полярности фазам — углеводородам и другим нерастворимым или слаборастворимым в воде органическим соединениям (маслам). [c.5]

    Укажите строение молекул по методу молекулярных орбиталей, их протолитические (по отношению к воде), окислительно-кос-становительные, обменные, лигандные и другие (по Вашему выбору) свойства, склонность молекул к димеризации. Составьте уравнения необходимых для ответа реакций. На основе этих сведений сделайте вывод о реакционной способности указанных веп еств. При ответе воспользуйтесь справочными данными по энергии и длине связи, дипольному моменту, стандартной энтальпии и энергии Гиббса образования, стандартной энтропии и растворимости в воде. [c.154]

    Ни одна из предложенных моделей не учитывает сразу все три типа взаимодействий, однако подход с позиций микроскопииеской модели позволяет учесть также и ион-дипольные эффекты. Наличие кислотных или основных групп в молекулах N приводит к появлению дополнительных взаимодействий, описываемых с помощью других механизмов, а именно с помощью изменения сольватации неэлектролита в результате образования водородных связей, которое определяется нарушением кислотно-основных свойств воды- Специфические взаимодействия, учитываемые уравнением (1.29), имеют такую же природу, как и всякая сольватация ионов вообще (см. гл. 2, разд. 6). [c.53]

    Поскольку вода является сильно ассоциированной жидкостью, а энергия водородных связей составляет в среднем 20 кДж-моль связей, то следует ожидать определяющего вклада Н-связей в термодинамические свойства воды. С другой стороны, по этой причине логично сопоставлять свойства воды прежде всего со свойствами жидкостей, также характеризуемых наличием сильных межмолекулярных взаимодействий, т. е. с другими ассоциированными жидкостями (спирты, амины и т. д.), а также жидкостями с сильными диполь-дипольными взаимодействиями (диметилсульф-оксид — ДМСО, пропиленкарбонат — ПК, ацетон и др.). [c.7]

    Угловое расположение атомов в молекуле воды и образование ионо-дипольиых и водородных связей между молекулами имеют суш,ественное значение для свойств воды. В этом проявляется дипольная природа молекул воды. [c.59]

    Диэлектрическая постоянная воды. Одним из наиболее важных свойств воды, которое необходимо рассмотреть в связи со свойствами растворов электролитов, является ее диэлектрическая постоянная. Как отмечалось выше, молекула воды имеет дипольный момент. Этого, естественно, можно было ожидать из нашего описания строения молекулы воды, содержащего представление олокализации положительных зарядов на одной стороне молекулы и отрицательных — на другой. Электрический диполь будет стремиться ориентироваться в электрическом поле таким образом, чтобы уменьшить энергию системы, и, кроме того, электронные оболочки молекул будут несколько деформированы благодаря взаимной поляризуемости. Предположим, что мы имеем два электрических заряда и е . Предположим, далее, что эти заряды удалены друг от друга настолько, что они взаимодействуют как точечные заряды. Если бы они находились в вакууме, [c.394]

    Другим свойством воды, которое имеет решающее значение для ее характеристики как растворителя, является способность создавать ионизованную среду с высокой диэлектрической проницаемостью. Этим и объясняется ее поразительная растворяющая способность полимерных электролитов. Необходимо, например, заметить, что такие материалы, как полиакрилат натрия и поливинилпиридинийхлорид, обладающие высоким сродством к воде и смешивающиеся с ней во всех соотношениях, совсем нерастворимы (и мало набухают) даже в метаноле, который по своим свойствам весьма напоминает воду. Следует предположить, что понижение диэлектрической проницаемости приводит к почти полной ассоциации фиксированных зарядов полимера с противоионами и что взаимодействие ионных пар слишком сильно и не может быть нарушено под действием сил сольватации. То же замечание можно сделать и в отношении взаимодействия диполей в полимерных амфолитах, в частности белках [136], хотя в последнее время и было показано, что, например, гидразин, этилендиамин [137] и безводный фтористый водород [138] — активные растворители для белков (см. обзор Зингера [139]). При работе с синтетическими амфотерными полимерами следует помнить, что дипольная структура иона имеет большее значение лишь в том случае, если незаря- [c.70]

    Во времена алхимии универсальный растворитель искали так же ревностно, как философский камень. Нечего и говорить, что эти поиски оказались тщетными. Спустя много столетий вода — наиболее известный, удобный и часто используемый растворитель — оказалась ближе всего к такому универсальному растворителю. Из-за удобства в обращении с ней и разнообразия свойств она едва ли когда-нибудь будет заменена другим растворителем. В самом деле, до 1900 г. считали, что только вода растворяет ионные соединения. В нлстоящее время признана неправильность этой точки зрения, и можно только удивляться, почему ее так долго придерживались. С начала нового столетия сделаны большие успехи в изучении и использовании неводных растворов. Несмотря на все усилия, свойства неводных растворов знают еще поверхностно они представляют собой малоизученную область. Многие свойства воды, такие, как значительный дипольный момент, амфотерный характер, большая диэлектрическая проницаемость и, наконец, ее доступность и легкость очистки ставят воду в особое положение как растворитель. Однако в некоторых случаях неводные среды могут быть применены с большим успехом. Началом исследований в этой области является применение теории Дебая — Хюккеля к неводным растворителям, используемым в качестве среды в органических реакциях. Некоторые неводные растворители, например безводный фтористый водород, применяются в промышленном масштабе. Поэтому удивительно, что так мало известно о многих возможных неводных растворителях. [c.334]

    Соли Ре + во мнбгом похожи на соли Mg +, что обусловлено близостью радиусов ионов (у Nig + г, = 66 пм, у Ре + п — 74 пм] , Это сходство относится к свойствам, определяемым, в основном, межионными и ион-дипольными взаимодействиями (кристаллическая структура, энергия решетки, энтропия, растворимость в воде, состав и структура кристаллогидратов, способность к комплексообразованию с лигандами, обладающими слабым полем). Наоборот, не проявляется аналогия в свойствах, связанных с электронными взаимодействиями (способность к реакциям окисления-восстановления, образование комплексов со значительной долей «ковалентной связи). На рис. 3.127 сопоставлены энтропии кристаллических соединений Ре + и М +. При сравнении рис. 3.127 и 3.125 прослеживается степень сходства и различия двухвалентных состояний элементов семейства железа между собой и между Ре и Мд, принадлежащим к разным группам периодической системы элементов. [c.562]

    Мицеллы воды в водно-тоштивных эмульсиях также не проявляют свойств дипольности. Картина резко меняется при наложении на эмульсию внешнего электрического поля, когда молекулы воды в каплях получают строгую ориентацию и капли превращаются в диполи. Одинаковая напряженность электрического поля во всех его точках, а также равенство отрицательного и положительного зарядов капли приводят к тому, что она растягивается. Это происходит до тех пор, пока силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать капле сферическую форму, не станут равными электростатическим силам внутреннего давления, стремящимся разорвать каплю. [c.45]

    Подобная С груктура объясняет физические свойства аминокислот. У них высокие температуры плавления (200.. 300 °С), они не испаряются, а разлагаются, обладают большими дипольны. ш моментами. у минокислоты не растворяются в неполярш>1х органических растворителях, но довол1зНо хорошо растворимы в воде. Константы кислотности и огкпвности у них очень малы. [c.239]

    При растворении вещества, сосюящего из полярных молекул или имеющего ионное строение, в жидкости, также составленной из полярных молекул, между молекулярными диполями растворителя и молекулами или кристаллами растворяемого вещества возникают электростатические силы диполь-дипольного или ион-дипольного взакмоде с твия, способствующие распаду растворяемого вещества на ионы. Поэтому жидкости, состоящие из полярных молекул, проявляют свойства ионизирующих растворителей, т. е. способствуют электролитической диссоциации растворенных в них веществ. Так, хлороводород растворяется и в воде, и в бензоле, но его растворы в воде хорошо проводят электрический ток, что свидетельствует о практически полной диссоциации молекул НС1 на ионы, тогда как растворы НС1 в бензоле не обладают заметной электрической проводимостью. [c.142]

    Электростатические представления оправдываются для целого ряда других комплексных соединений, содержащих дипольные молекулы. Молекула воды (диполь, характеризующийся большой жесткостью) обладает дипольным моментом, равным 1,8. Дипольный момент молекулы ЫНз равен 1,5 (по сравнению с Н2О отличается меньшей жесткостью). Так как величина дипольного момента ЫНз меньше, чем у Н2О, то аммиакаты должны быть менее устойчивыми, чем гидраты. Действительно в случае соединений лития дело обстоит именно таким образом. Однако в некоторых случаях могут наблюдаться обратные соотношения. Часто устойчивость соединений нельзя объяснить с позиций электростатических представлений. Например, известно большое количество соединений с формально нульвалентным центральным атомом. Сюда относится ряд комплексных соединений платины, палладия и других металлов, например комплекс палладия с фенилизонитрилом, для которого были изучены реакции замещения с триарилфосфитами. Подобные реакции не могут сопровождаться окислительно-восстановительными процессами, так как оба вступающих в реакцию вещества характеризуются восстановительными свойствами. [c.239]

    Явление сольватации обязано тому,, что заряженная частица (ион), появившаяся среди молекул растворителя, изменяет свойства и порядок распределения последних в растворе. Если молекулы растворителя имеют дипольный момент, то они взаимодействуют с ионами, образуя сольватные оболочки. При этом электростатическое бзаимодействие не является единственной причиной сольватации ионов. Сольватация может возникать и за счет некулоповских — химических сил. Многие соли образуют гидраты и сольваты не только в растворах, но и в твердом состоянии. К такому комплексообразованию склонны почти все соли. Например, образование гидратов солей меди является типичным процессом комплексообразования. В таких соединениях связь между ионами и молекулами воды чисто химическая, она обусловлена обычной координационной валентностью, типичной для комплексных соединений. [c.137]

    Отсутствие направленности ионной связи приводит к важному свойству — ненасыщаемости связи. Это, в частности, означает, что электрические поля, например катионов, могут взаимодействовать с частицами, расположенными вне кристалла. Так, катионы на поверхности кристалла могут притягивать дипольные молекулы воды. Это явление обусловливает существование кристаллогидратов многих солей, содержащих в своем составе несколько молекул воды (например, Си504-5Н20). Это же явление лежит в основе процессов поглощения воды поверхностью минералов и смачивания минералов. [c.162]

    При использовании метода Хартри—Фока—Рутаана главной характеристикой расчетной модели является выбор базиса орбита-лей. Чем полнее этот базис, тем точнее воспроизводится полная энергия молекулы. Однако способность расчета предсказывать другие молекулярные свойства не всегда монотонно зависит от выбранного базиса и учета корреляционных эффектов. Наглядный пример — расчет дипольного момента (/х) молекулы воды при минимальном базисе /i = 1,82 D, в расширенном почти до хартри-фоковского предела 6ii3H e ц = 2,57 D, в расширенном базисе с наложением конфигурационного взаимодействия ц=1,99 D, в эксперименте /i=l,85 D. Аналогичные примеры можно найти и для некоторых других характеристик. Важно знать, какие ряды базисных орбита-лей следует использовать для получения надежных результатов в расчетах различных характеристик молекул. [c.205]


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…»


Вода живая и мертвая. Южноуральская панорама.

Казалось бы, что может быть проще обыкновенной воды?! Проще, и в то же время страшнее, поскольку именно Н2О, всем известны по школьным учебникам химии, является главным и единственным транспортным средством для живой клетки человека. Именно молекулы воды доставляют к каждой клетке нашего организма кислород и другие необходимые для существования вещества. И эти же молекулы уносят из клетки так называемые шлаки — продукты жизнедеятельности. Все это в целом называется метаболический процесс. До сих пор он во многом загадочен для научного мира.

Александр ЧУНОСОВ

Казалось бы, что может быть проще обыкновенной воды?! Проще, и в то же время страшнее, поскольку именно Н2О, всем известны по школьным учебникам химии, является главным и единственным транспортным средством для живой клетки человека. Именно молекулы воды доставляют к каждой клетке нашего организма кислород и другие необходимые для существования вещества. И эти же молекулы уносят из клетки так называемые шлаки — продукты жизнедеятельности. Все это в целом называется метаболический процесс. До сих пор он во многом загадочен для научного мира.

Проблема одна, масштабы разные

Валерий Уваров, который всю жизнь занимался в очень закрытом ракетном НИИ «Гермес» подобными проблемами, но связанными с бесперебойной доставкой топлива и окислителя в камеру сгорания стратегических ракет, подумал — между ракетой и живой клеткой есть много общего. С точки зрения, конечно же, снабжения камеры сгорания ракеты в одном случае и клеточными «камерами сгорания» — митохондриями в другом. Проблема четкой транспортировки в обоих случаях одна и та же, разница лишь в масштабах.

Лет десять назад профессиональный ракетчик-топливник озадачился проблемой — доставить «топливо» и все, что нужно для исправной работы всего живого организма? вовремя и адресно. Времени у Валерия Уварова тогда было хоть отбавляй. Весь ракетный комплекс страны, громадные ракетные заводы Урала, Сибири шли буквально под нож. Уже не говорю о таких НИИ ракетостроения, как НИИ «Гермес». От Москвы далеко, решайте свои проблемы сами. В НИИ «Гермес» его генеральный директор Илья Варавин додумался до феноменальной идеи. Из прочных и легких ракетных корпусов-обечаек изготовлять очень даже нужные для медицины гипо- и гипербарокамеры для изменения содержания кислорода в крови у пациентов. Ему помогал заведующий отделением баротерапии областной больницы № 1 Олег Голодов.

Немного биохимии

Обычная вода после механической кавитационной обработки по технологии Валерия Уварова приобретает совершенно удивительные свойства. Обычная вода из-под крана ими не обладает в принципе. Молекула воды — это электрический, хотя и слабый, но диполь. То есть, плюс на одном конце молекулы присоединяется к электрическому минусу на конце другой подобной молекулы. И получается невероятная по своим размерам электрохимическая «гусеница» из многих миллиардов молекул воды, образующих гигантскую по атомным масштабам цепочку. Такая цепочка, конечно, прихватывает и транспортирует все необходимое для жизни клетки, но вовнутрь клетки попасть уже не может, застревая в дырочках клеточной мембраны.

В реальности это означает? что кислород, питательные вещества к самой живой клетке доставлены исправно, а вот попасть вовнутрь и совершить необходимые для человека реакции получается не всегда. То же самое касается продуктов жизнедеятельности клетки — шлаков. Они просто-напросто не выводятся наружу — не за что им электрохимически зацепиться. Главный транспортер — вода — вроде бы есть, но ее в то же время нет. Метаболическая эффективность от приема пищи, лекарств, добавок снижается в разы. То же самое касается вывода из организма скопившихся вредных веществ. И все из-за огромных размеров молекулярной цепочки, казалось бы, обычной воды.

Ракетчик Валерий Уваров додумался, как мегакомплексы молекул по сути дела мертвой воды превратить в воду живую. Помогли в этих размышлениях многие его ракетные разработки. И уваровская вода, таким образом, стала лучшим и эффективным лекарством. В том числе лекарством от старости.

Водка, нанотехнология и буренки

Мне приходилось видеть, как ракетчик Уваров приспосабливал свои турбины для здоровья и продолжительности жизни человека.

— Клетка не должна задыхаться от нехватки кислорода, необходимых питательных веществ, должна вовремя избавляться от шлаков,— говорит Валерий Михайлович.— Вот тут как раз и приходzт на помощь ракетные технологии. Подумал, почему бы не использовать турбину турбокомпрессора ракеты, чтобы механическим образом, с помощью кавитационных процессов, разрубать гигантскую молекулярную цепочку воды на отдельные молекулы?! Так идея воплотилась в металл и множество свидетельств на изобретение и патентов.

Первое, что прокрутил Уваров в своей экспериментальной установке кроме воды была… водка местного, далеко не элитного, разлива. Как утверждают «знатоки-эксперты», она совсем иная на вкус. Утром голова не болит, к тому же никаких предательских запахов изо рта. Второй продукт, прошедший прокрутку — молоко,— не скисало целую неделю безо всякого холодильника, на солнечном подоконнике. Помидорная рассада после полива прокрученной в аппарате воды росла заметно быстрее. Всхожесть семян тоже уникальная. Но все эти опыты Уваров проводил, что называется, на коленке. Без фундаментальной экспериментальной базы.

Потом появилась и база. В лице главных конструкторов Федерального государственного ракетного центра «КБ имени академика Макеева» из соседнего Миасса. Водку, конечно, они в установке Уварова не крутят, но обычная вода, пропущенная через этот механизм, имеет в буквальном смысле живительные свойства.

Еще был масштабный эксперимент. Уваровскую воду давали около пятистам больным, страдающим тромбофлебитом, другими подобными безнадежными сердечно-сосудистыми заболеваниями. Эффект поразителен — у многих пациентов-добровольцев тромбы, перегораживающие кроветок… рассосались! Безо всякого хирургического вмешательства, в том числе сложнейших операций по ангеопластике. Уваровская вода выручает не только больных тромбозами, но и тех, кто страдает суставными заболеваниями — артритом, артрозом и так далее.

Валерий Уваров, честнейший российский бессребреник заключил бесплатные договоры с УГМАДО и ветеринарами из Троицкой ветакадемии. Буренкам, как и людям, его вода тоже на пользу пошла.

Экономика воды

Сегодня точно подсчитать экономический эффект уваровской воды вряд ли возможно. Перед нами технология, что называется, из перспективных.

Сферы применения — самые разнообразные. От систем бытовой (домашней) очистки воды нового поколения и промышленных установок в пищепроме, сельском хозяйстве и животноводстве до любой области знания, где вода используется как транспорт для полезных веществ.

Довести до ума технологическую и техническую стороны вопроса производства готовых изделий — аппаратов, соответствующих требованиям конечных заказчиков — производителей и потребителей,— при достаточных финансовых вливаниях для высококлассных инженеров-ракетчиков не составляет большого труда (тем более что прототипы установок любой производительности Валерий Уваров уже разработал). А вот серьезное научное изучение разнообразных эффектов использования прокрученной воды потребует гораздо больше времени.

Тем не менее в случае реализации технологии и запуска конечных продуктов в промышленное производство наша область вполне может получить мощный кластер по производству инновационной продукции, не имеющей аналогов в мире и способной реально улучшить качество жизни людей.

Конечно же, сам Валерий Уваров в одиночку полномасштабный медицинский эксперимент провести не может. И тем более не сможет довести перспективнейшую технологию до стадии внедрения в промышленность и повседневную жизнь. Но и нужно ведь не так уж много — грамотный инвестор с длинными деньгами да административная помощь, для начала на уровне региона.

ОТЗЫВЫ ЭКСПЕРТОВ

Алексей Козлов, заместитель министра здравоохранения Челябинской области:

«Изучив пакет документов, представленный НИИ „Гермес“, об использовании инновационной разработки, связанной с механической активацией воды, и применении биологически активной воды в медицине считаем возможным приобретением указанных установок для использования в детских санаториях области при условии дополнительного финансирования».

 Владимир Крутько, генеральный директор НГЦ, профессор:

«Национальный геронтологический центр занимается экспериментальными исследованиями различных средств и методов сдерживания старения и увеличения продолжительности активной жизни человека. Нас заинтересовали ваши разработки, касающиеся изменений свойств воды, позволяющих ей более эффективно насыщать клетки и ткани, так как дегидратация является одним из основных эффектов, сопровождающих старение. Данные процессы происходят на наноуровнях.

В связи с вышесказанным мы предлагаем вам инициировать программу совместных исследований свойств реструктурированной с помощью ваших приборов воды как потенциального геропротектора, то есть вещества, сдерживающего старение. В этих исследованиях предполагается также участие организаций — учредителей центра; Московской медицинской академии имени И. М. Сеченова, Московского государственного медико-стоматологического университета, Института системного анализа РАН и Института медико-биологических проблем РАН. Надеюсь на плодотворное сотрудничество».

 Виктор Коненков, директор ГУ НИИ клинической и экспериментальной лимфологии, академик РАМН:

«ГУ НИИ клинической и экспериментальной лимфологии СО РАМН занимается вопросами регуляции йодного гомеостаза через лимфатическую систему. Именно лимфатической системе отводится основная роль в дренаже и детоксикации токсических метаболитов из межклеточного пространства. При этом лимфатические узлы выступают индикатором состояния на периферии всего организма. Поэтому для нас имеет большой интерес вaши исследования, позволяющие изменять качество воды за счет гидроударно-кавитационного метода. Остается актуальным изучить, как качественное изменение воды отражается на функции клеток, тканей, органов и, в частности, лимфатической системы.

Полагаем, что объединение усилий по изучению влияния воды, измененной гидроударно-кавитационным способом, на органы и системы организма с позиции современной лимфологии позволит получить новые данные, представляющие интерес для науки и практики.

При вашей заинтересованности мы готовы на взаимовыгодных условиях обсудить конкретные формы сотрудничества в совместных исследованиях и продвижении данной технологии».

Михаил Воевода, директор ГУ НИИ терапии Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, член-корреспондент РАМН, профессор:

«ГУ НИИ терапии СО РАМН» занимается вопросами межклеточных взаимодействий, изменениями структурно-функциональных параметров клеток крови под воздействием различных факторов. Это помогает углубить наши знания о патогенезе различных заболеваний, определить ключевые позиции терапевтических воздействий.

Ваши исследования, позволяющие изменять качество воды за счет гидроударно-кавитационного метода, представляют для нас большой интерес. Наши методики по оценке электрических и вязкоупругих характеристик клеток крови дают возможность изучить, как качественное изменение воды отражается на функции клеток, тканей, органов и, в частности, системы крови.

Полагаем, что совместные усилия по изучению влияния воды, измененной гидроударно-кавитационным методом, на системы организма с позиций современной мембранологии позволят получить новые данные, представляющие интерес для науки и практики».

Обработка воды против накипи для водонагревательной и отопительной техники

Данная серия магнитов, проточного и накладного типа, защищает от накипи теплообменники, ТЭНы (нагревательные элементы) водонагревателей, котлов, бойлеров, форсунки гидромассажных ванн и душевых кабин, парогенератов и прочей отопительной и водонагревательной техники. Серия применяется и для промышленных установок, в том числе с выпуском пара. Тип используемых магнитов: из сплава неодим-железо-бор, Nd-Fe-B.
Почему образуется накипь?
Молекула воды h3O существует в виде заряженных частиц — ионов Н+ и ОН-, которые образуют «диполь». При комнатной температуре под действием сил притяжения «диполи» объединяются вокруг присутствующих в воде микрочастиц и ионов Ca 2+ и CО3 2- , «отгораживая» их друг от друга и препятствуя их взаимодействию. Но при нагреве выше 60оС, связи между «диполями» и ионами Ca2+ и CO3 2- разрушаются. Ионы высвобождаются и вступают в реакцию, образуя карбонат кальция CaCО3 — КАЛЬЦИТ, который осаждается на поверхности источника нагрева в виде слоя накипи.
Накипь: почему она образуется и как с ней бороться ?

Как магнитный преобразователь UDI-MAG борется с накипью?
Магнитный преобразователь воды монтируется в систему водоснабжения перед прибором. В результате, «диполи» воды, которые поступают в прибор, проходят между разнополярными высокоэнергетическими магнитами и испытывают воздействие силы Лоренца, которая заставляет их совершать колебательные движения переменных направлений. Воздействие магнитного поля приводит к разрыву связей между «диполями» воды и микрочастицами и ионами Ca 2+ и CO3 2-. При этом, высвобождающиеся микрочастицы и ионы Ca 2+ и CО3 2- образуют карбонат кальция с иной кристаллической решеткой — АРАГОНИТ, кристаллы которого, имеющие «рыхлую» структуру, теряют способность образовывать накипь на нагревательных поверхностях. Частицы АРАГОНИТа становятся «центрами» кристаллизации. В результате, когда обработанная вода нагревается, образующиеся молекулы СаСО3 не осаждаются слоем накипи, а «притягиваются» к частицам АРАГОНИТа и укрупняют их. Такие хлопьевидные частицы АРАГОНИТа удаляются при сливе отработанной воды. Кроме того, постепенно частицы АРАГОНИТа «разрыхляют» и старую накипь, удаляя из нее молекулы карбоната кальция. Таким образом, магнитный преобразователь UDI-MAG препятствует образованию накипи и защищает не только новую бытовую технику, но продлевает срок службы техники, уже находится в эксплуатации. Физическое воздействие магнитного поля не изменяет биологического состава и свойства воды, воздействуя только на молекулы кальция. Устройство безвредно, т.к. при работе не использует добавок, химических компонентов и опасных соединений. Производитель гарантирует безупречную работу устройства и эффективность магнитной обработки в течение 10 лет.
Магнитная обработка воды: cхематическое описание процесса, принцип действия

Продукция серии UDI-MAG изготовливается в Италии (компания Aquamax S.r.l.), Румынии (компания Water System International — арт.030, 032, 085) и России (компания ООО «ЮДИ-Трэйдинг» — арт.090). 

UDI-MAG арт. 035, магнитный преобразователь воды, модель накладного типа.
Данный вариант конструкции преобразователя удобен для монтажа в сложных места, когда труба (например, медная) расположена близко к стене и отсутствует возможность прокрутить арматуру вокруг оси.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 035 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 010, магнитный преобразователь воды , модель проточного типа.
Компактный, простой и недорогой вариант преобразователя. Подходит для самых популярных моделей водонагревательной техники мощностью до 24 кВт.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 010 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 020 L, магнитный преобразователь воды, модель проточного типа.
Модель имеет угловую Г-образную (поворот на 90 град.) проточную трубку, что при необходимости позволяет избежать дополнительного резьбового и иного соединения.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 020 L в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 030, магнитный преобразователь воды , модель проточного типа.
В модель установлены неодимовые магниты большей мощности и трубка с увеличенным диаметром прохода. Одна из самых популярных моделей проточных преобразователей серии UDI-MAG.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 030 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 032, магнитный преобразователь воды , модель проточного типа.
Соединения 3/4″ позволяют монтировать магнитные преобразователи на водонагревательную технику с повышенным потреблением воды. Как и четыре модели, описанные выше, данный преобразователь рекомендуется для техники мощностью до 24 кВт.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 032 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 240, магнитный преобразователь воды, модель проточного типа.
Эффективный преобразователь на 1/2″ трубопровод. По сравнению с други преобразователями аналогичного диаметра умеет увеличенный диаметр прохода и большую производительность.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 240 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 250, магнитный преобразователь воды, модель проточного типа.
Применяется для котлов и водонагревателей мощностью свыше 27 кВт. Преобразователь имеет существенно большую производительность обработки воды — до 2000 литр/час.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 250 в Интернет-магазине

UDI-MAG арт. 150, магнитный преобразователь воды, модель проточного типа.
Один из самых мощных в серии проточных преобразователей. Производительность до 6000 литр/час позволяет его монтировать перед котлом в коттедже, частном доме или промышленной установкой, требующей водоподготовки.

Купить магнитный преобразователь воды UDI-MAG арт. 150 в Интернет-магазине

Магнитные преобразователи воды UDI-MAG для стиральных и посудомоечных машин

Магнитные преобразователи воды UDI-MAG накладного типа на трубы из пластика и металла

Магнитные преобразователи воды UDI-MAG Garden для полива растений, сельского хозяйства

 

 

Вода. Свойства и значение воды для живых организмов

1. Строение молекулы воды. alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag!
Вода имеет полярную молекулу. Кислород как более электроотрицательный атом оттягивает на себя общую с атомом водорода электронную плотность к себе и потому несет частичный отрицательный заряд; атомы водорода, от которых электронная плотность смещена, несут частичный положительный заряд. Таким образом, молекула воды представляет собой диполь, т.е. имеет положительно и отрицательно заряженные участки. 
(Модель справа объемная, ее можно вращать при помощи нажатой левой кнопки мыши.)

2. Водородные связи.
Молекулы воды образуют друг с другом водородные связи. Они обусловлены силами притяжения между несущим частичный отрицательный заряд атомом кислорода одной молекулы и несущим частичный положительный заряд атомом водорода другой молекулы.
(Рассмотрите на модели справа, что связи образованы именно между названными выше атомами.) 
  Вопрос 1. Как Вы думаете: по своей природе водородные связи ближе к ковалентным или к ионным? Почему Вы так думаете?
Водородные связи обуславливают целый ряд важнейших свойств воды, в первую очередь — ее свойства как растворителя.

3. Вода как растворитель.

alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag!

По отношению к воде все практически вещества можно разделить на две группы:

1. Гидрофильные (от греч. «филео» — любить, имеющие положительное сродство к воде). Эти  вещества имеют полярную молекулу, включающую электроотрицательные атомы (кислород, азот, фосфор и др.). В результате отдельные атомы таких молекул также обретают частичные заряды и образуют водородные связи с молекулами воды. Примеры: сахара, аминокислоты, органические кислоты.
2. Гидрофобные (от греч. «фобос» — страх, имеющие отрицательное сродство к воде). Молекулы таких веществ неполярны и не смешиваются с полярным растворителем, каковым является вода, но хорошо растворимы в органических растворителях, например, в эфире, и в жирах. Примером могут служить линейные и циклические углеводороды. в т.ч. бензол.

  Вопрос 2. Рассмотрите внимательно две молекулы справа. Как Вы думаете, какая из этих молекул гидрофильная, а какая — гидрофобная?  Почему Вы так думаете? Не узнали ли Вы — что это за вещества?

Среди органических веществ встречаются также соединения, одна часть молекулы которых неполярна и проявляет гидрофобные свойства, а другая — полярна и, следовательно, гидрофильна.

alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag!
Такие вещества называются амфипатическими.
Молекула фосфотидилсерина (одного из фосфолипидов плазматической мембраны клеток, справа) может служить примером амфипатических соединений.

  Вопрос 3. Рассмотрите внимательно эту молекулу. Как Вы думаете, какая из ее частей гидрофильная, а какая — гидрофобная? Расположите молекулу так, чтобы это было максимально наглядно, создайте графический файл и в нем обозначьте гидрофильный и гидрофобный участки молекулы.
Для этого, расположив молекулу наиболее выгодным образом, скопируйте все изображение экрана в буфер обмена (нажать кнопку Print Screen), запустите графический редактор по усмотрению (достаточно Paint - Пуск — Программы — Стандартные — Paint), обрежьте все лишнее, а на оставшемся рисунке обозначьте любим удобным способом требуемые участки. Сделайте соответствующие подписи на рисунке и сохраните файл в папку по усмотрению.

4. Вода как растворитель в живых организмах.
По образному выражению, все мы — «живые растворы». Действительно, практически все процессы как в клетках организма, так и в межклеточной среде организма протекают именно в водных растворах.

alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag!

Кроме того, со свойством воды как растворителя прямо связана транспортная функция внутренних жидкостей как у многоклеточных животных (кровь, лимфа, гемолимфа, целомическая жидкость), так и у многоклеточных растений. 

5. Вода как реагент.
Важное значение воды связано также с ее химическими свойствами — как обычного вещества, вступающего в химические реакции с другими веществами. Наиболее важными являются расщепление воды под действием света (фотолиз) в световой фазе фотосинтеза, участие воды как необходимого реагента в реакциях расщепления сложных биополимеров (такие реакции не случайно называются реакциями гидролиза). И, наоборот, при реакциях образования биополимеров, полимеризации, происходит выделение воды.
  Вопрос 4. Какую неточность в последней фразе исправил бы химик?

Как работает микроволновка — T&P

Иллюстрация: Максим Чатский

Электромагнитные волны раскачивают молекулы воды, вода расталкивает соседние молекулы, от этого вся еда нагревается.

Для получения электромагнитных волн используется специальное устройство — магнетрон.

В любой еде есть диполи — молекулы, у которых с одной стороны положительный заряд, а с другой стороны такой же по величине отрицательный заряд. Молекулы воды, жиров, сахара — все они диполи.

Если диполь поместить в статичное электрическое поле, то он повернется вдоль этого поля. А если поле станет переменным, как в электромагнитных волнах, то молекулы начнут раскачиваться.

Раскачиваясь, молекулы воды ударяются о соседние молекулы, тем самым увеличивая температуру еды.

Греть или не греть

При помощи микроволновки и зефира можно в домашних условиях найти скорость света.

Безопасность микроволновки и разогретой в ней еды — большой вопрос. Совершенно точно не надо бояться электромагнитных волн, корпус печки надежно экранирован, да и затихают волны такой длины очень быстро.

Что же до безопасности разогретой пищи — британские ученые ссылаются на русских ученых, а те ссылаются обратно на британских, что торсионные поля разрушают молекулы пищи, и вообще микроволновку изобрели нацисты, но сами ей не стали пользоваться, потому что сплошной канцероген. Если вас это волнует, то вам лучше микроволновкой все-таки не пользоваться, чтобы хотя бы нервы себе сберечь.

Меры предосторожности

В микроволновке невозможно согреть масло, поскольку в нем недостаточно молекул-диполей.

Тем не менее, при неправильном использовании микроволновка может быть опасна. В микроволновке еда разогревается так быстро, что микробы не успевают в ней умереть, поэтому сомнительную еду все-таки лучше кипятить по-старинке.

Воду в микроволновке можно разогреть выше температуры кипения и не увидеть этого. В печи вода нагревается по всему объему равномерно и водяной пар ни на чем не конденсируется и не вырывается на поверхность пузырями. Если стакан с такой водой пошатнуть или что-нибудь в него положить, то перегретая вода забурлит вся разом. У вас в руках, например.

Конечно, все слышали про то, что нельзя ставить в микроволновку фарфор с золотыми вензелями или шаурму в фольге, потому что токи, вызванные электромагнитными волнами, могут родить электрические дуги. Такие же, как в лампе дневного света. Металл начинает искрить, это может испортить посуду, саму печь, да и вообще, очень пожароопасно.

В микроволновке лучше не разогревать пищу в пластиковой упаковке, при нагреве пластик может вырабатывать опасное для человека вещество Бисфенол А. Некоторые пластмассы безвредны, но лучше перестраховаться и переложить еду в керамическую тарелку.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

диполь Момент и энергия связи воды в белках. из Crystallographic Analysis

J Chem Theory Comput. 2014 14 октября; 10(10): 4618–4623.

Химический факультет Университета Калифорния Дэвис, один Шилдс-авеню, Дэвис, Калифорния 95616, США

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Реферат

энергетика молекул воды в белках изучается с помощью программное обеспечение для размещения воды Dowser. Мы сравнили положение на воде предсказания для 14 кристаллических структур высокого разрешения связывающих олигопептиды белок (OppA), содержащий большое количество растворенной внутренней воды молекулы.Из анализа выходов Dowser с переменной параметров и сравнение с экспериментальными рентгеноданными, мы получили оценка среднего дипольного момента молекул воды, находящихся во внутренних полостях белка и энергии их связи. Параметры воды, полученные таким образом из экспериментальных данных, равны затем проанализированы в рамках разработанной теории масштабирования заряда недавно этой группой; видно, что параметры хорошо согласуются с предсказаниями, которые теория делает для дипольного момента в белковая среда.Водяной диполь в белковой среде оказывается сильно отличным от такового в массе и в таких моделях как SPC или TIPnP. Роль масштабирования заряда из-за электронной поляризуемости белок обсуждается.

1. Введение

Молекулы воды внутри белки часто играют важную роль в функции. 1−8 Например, дальний перенос протона внутри белков обычно осуществляется механизмом Гроттуса и требует цепи водородных связей, который состоит из внутренних молекул воды и аминокислотные остатки белка.В других случаях молекулы воды может облегчить каталитические реакции ферментов, став временным донор/акцептор протонов. Кроме того, будучи высокой диэлектрической проницаемостью, водяные экраны электростатическое взаимодействие зарядов, что может привести к стабилизации заряда ионизируемых остатков или может повлиять на их значения p K a . Однако динамическая природа воды в белке не позволяет разделить все молекулы, а лишь часть молекулы воды белка обычно видны в рентгеновской структуре. 9−11 Чтобы предсказать, сколько молекул на самом деле присутствует в белке, требуется использование специального программного обеспечения.

Программа Dowser 12−14 представляет собой пакет для автоматического гидратирования белка структур, которые широко используются в вычислительной биофизике (например, это часть VMD 15 ). Эта программа требует файл PDB с атомными координатами белка в качестве входного файла и на выходе он создает другой файл PDB со списком координат размещенных молекул воды вместе с их энергетическими значениями.Чтобы выполнить При этом программа находит внутренние полости в белке и заполняет полости с молекулами воды в зависимости от их минимизированной энергии. Энергия вод оценивается с помощью конкретной модели взаимодействие вода-белок, и только молекулы со связыванием энергия выше порогового значения 10 ккал/моль сохраняется. (Энтропия и кинетическая энергия не учитываются, только потенциальная принята энергия взаимодействия молекулы воды с белком с учетом.) Значение 10 ккал/моль очень близко к общему энтальпия парообразования (10.5 ккал/моль), 16 что составляет (в пределах кТ ) необходимое количество энергии перевести одну молекулу воды из объема в вакуум. Однако пороговое значение плохо определено и по существу является эмпирическим параметром; можно утверждать, что энергия связи воды в белке должна можно сравнить с количеством энергии, необходимой для того, чтобы молекула воды из основной массы в белковую среду, а чем к вакууму, который значительно меньше вакуума 10 ккал/моль.(Понятно, что строгим критерием обязательности должен быть на основе сравнения химических потенциалов воды в объеме и в месте гидратации белка. Изменение энтропии между масса и белок не учитываются компанией Dowser, что может показаться слишком грубое приближение; однако вклад энтропии не ожидается значительным (∼1 ккал/моль) в масштабе взаимодействия энергии; подробности в разделе обсуждения, и подход Даузера можно оправдать как полуколичественный).

Модель вставки воды также плохо определена; тот, который в Dowser реализован SPC (простой точечный заряд). 17 В этой модели молекула воды рассматривается как твердая тело с тремя узлами взаимодействия, соответствующими трем атомам молекула воды. Атомам водорода присвоен точечный заряд q H = +0,41 e, а атому кислорода присвоен q O = -0,82 e. Это один из самых простых неполяризуемые модели воды, наряду с TIP3P 18 и TIP4P 18 (переносимые межмолекулярные потенциал с 3 или 4 баллами) и их модификации, имеющие используется в компьютерном моделировании более 40 лет.Эти модели достаточно хорошо описывают свойства чистой объемной воды , такие как плотность, функция радиального распределения, диффузия коэффициент, статическая диэлектрическая проницаемость и энтальпия парообразования (подробности см. в обсуждении в нашем недавнем документы 19,20 и ссылки в них).

Однако, молекулы воды в белковой среде различны от тех, кто находится в основной фазе. 19 Действительно, из-за ее поляризуемости дипольный момент воды сильно зависит на диэлектрические свойства окружающей среды.Например, дипольный момент воды в газовой фазе (диэлектрическая проницаемость ε газа = 1) равен 1,85 Д, 21 в то время как в В высокодиэлектрической среде жидкой воды (ε жидкости = 78) она повышается примерно до 3,0 Д. 22−25 Принимая диэлектрические проницаемости белка ε белок = 4, 26−28 можно утверждать что дипольный момент молекул воды в белках должен быть диапазоне от 1,85 до 3,0 D. Поэтому модели объемной воды описанное выше может не подходить для моделирования в белковой среде.(Наши более ранние исследования, 19,20 , где свойства воды в различные среды, такие как полярная, неполярная и заряженная среда.

Замена диполя момент модели воды, реализованной в Dowser влияет на полную энергию молекулы, помещенной программой, особенно его электростатическая часть. Кроме того, увеличение энергии отсечки уменьшает число молекул, отброшенных по энергетическому критерию. Следовательно, общее количество внедренных молекул и количество молекул их, которые соответствуют молекулам воды, видимым в рентгеновской структуре, зависят по энергии отсечки E отсечка и диполь момент μ реализованной в программе модели воды.

В этой статье мы сообщаем о попытке оценить лучший эмпирический значение дипольного момента воды и ее энергии связи соответствующие для моделирования в белковой среде с использованием Dowser в качестве инструмента для анализ экспериментальных данных. С этой целью мы применили Dowser с переменными параметрами энергии отсечки E отсечки и эффективного дипольного момента мк до 14 высокого разрешения кристаллические структуры олигопептид-связывающего белка (OppA), содержащие большое количество растворенных внутренних молекул воды.Из анализа выходов этой программы и сравнение с экспериментальным рентгеновским данные, мы получили наилучшие оценки среднего дипольного момента молекулы воды, расположенные во внутренних полостях белка и энергии их связи. Затем анализируются параметры воды. основу теории масштабирования заряда, разработанную недавно этим группа; 20 параметры показаны в хорошем согласии с предсказаниями, которые теория делает для дипольный момент в белковом окружении.Диполь воды в белке окружающая среда сильно отличалась от той, что была в массе и в такие модели, как SPC или TIPnP. Роль масштабирования заряда из-за электронного поляризуемость белка обсуждается.

2. Вычислительный Модель

Чтобы исследовать, как изменение μ и E отсечки влияет на способность Dowser прогнозировать, мы выполнили набор вычислительных экспериментов на 14 структурах олигопептидсвязывающих белок (OppA), связанный с различными трипептидами лизин-Х-лизин. 29 Для анализа мы выбрали тот же набор данных белков, как в ссылках (30) и (31). К этому конец, мы сначала удалили все существующие молекулы воды (кристаллографически) из белковых структур и сохранил их как отдельные файлы PDB. Затем, внеся необходимые изменения в код Dowser, мы варьировали либо μ, либо E отсечка и запустили перекомпилировать программу для каждого из белков в наборе данных. После при каждом запуске программы мы сравнивали ее результат с экспериментальным данные.

Чтобы проанализировать, насколько успешно Dowser предсказывает кристаллографические воды, мы подсчитали, сколько молекулы из наборов экспериментальных данных соответствовали молекулам из Выходные файлы Dowser. (Критерий качества прогнозирования гидратная вода нетривиальна, так как только часть гидратированной молекулы воды обычно видны в кристаллической структуре; беспорядочный, или подвижны, молекулы воды не наблюдаются. Таким образом, идеальное качество программа должна не только предсказывать те молекулы, которые наблюдаются в кристаллической структуре, но и те, которые не видны.Последующий детальный анализ частично решает эту нетривиальную проблему). Экспериментальный молекула считалась соответствующей молекуле, размещенной программой если бы смещение между положениями их кислородов было меньше чем 1,4 А, радиус молекулы воды. В таком случае экспериментальный молекула была названа предсказанной . Чтобы оценить успеха одного запуска Dowser, мы ввели параметр hit отношение χ, отношение числа предсказанных молекул к общее количество кристаллографических вод,

1

С общее количество внедренных молекул воды зависит как от μ, так и от E отсечки , число предсказанных молекул и коэффициент попадания χ также зависят от эти два параметра.Мы варьировали параметры μ и E cutoff и запускали Dowser для каждой из белковых структур. из набора данных. χ рассчитывали для каждого белка и каждого набор мк и Е отсечка под вопросом. В ходе этого вычислительного эксперимента мы изменили энергию отсечки от −20 до 10 ккал/моль и варьировал заряд водорода атомов в диапазоне от 0,30 до 0,50 e (в модели SPC q H = +0,41e), сохраняя при этом молекулу нейтральной, присваивая атом кислорода в два раза больше отрицательного заряда, чем у водорода q O = -2 q H .Затем χ усреднялось по всем белкам и трехмерному построена поверхность χ пр. ( E отсечка , q ); результат показан на рисунке .

Усредненный коэффициент попадания χ ave ( q , E отсечка ) в зависимости от энергии отсечки и заряжать на атоме водорода внедренной воды.

На рисунке χ показана как функция из q H и E отсечка . То заряд q H устанавливает диполь μ водная модель.В области малых энергий отсечки χ очень мал, потому что все молекулы отбрасываются Даузером в соответствии с его энергетический критерий. С ростом энергии отсечки χ монотонно увеличивается и в конечном итоге выходит на плато. Плато – это регион где происходит дальнейшее увеличение внедренных молекул, что обычно происходит с увеличением энергии отсечки уже не изменяет количество предсказанные молекулы воды соответствуют наблюдаемым экспериментально. При очень высоких энергиях отсечки все доступные для воды участки, обнаруженные Доузера занимают внедренные молекулы, и далее увеличение энергии отсечки не меняет числа внедренных молекул.

Следует отметить, что максимальный коэффициент попадания на рисунке составляет всего 0,6, что на 40% ниже желаемого 100% предсказание. Этот результат означает, что даже при удалении всех энергетические ограничения, Dowser может предсказать (в нашем случае) только до 60% кристаллографических молекул. Этот низкий процент указывает на то, что неправильный выбор параметров μ и E отсечка это только часть недостатков программы (например, программа не учитывает структурную гибкость белка).

Для заданной энергии отсечки E отсечка , существует оптимальное значение заряда q H * , которое максимизирует качество предсказания χ. Зависимость оптимального заряда q H * от энергии отсечки показана на рис.

Оптимальное значение заряда q H * в зависимости от энергии отсечки.

При различных энергиях отсечки максимальный коэффициент попадания Достигнут при разных значениях q H .Максимум достаточно широк, так что при каждой энергии отсечки есть интервал значений заряда, которые максимизируют коэффициент попадания. Эти интервалы оптимума значения q H * показаны в виде планок ошибок на рисунке . Интервалы наилучших значений заряда зависят на энергии отсечки, как и сами средние наилучшие значения. Мы обратите внимание, что при энергии отсечки -4 ккал/моль неопределенность оптимальный заряд q H * наименьший, а максимальный χ ave ( E отсечка , q H * ) строго достигается 1 в q H * = 0.33 е (обозначено кружком). Особое значение энергия отсечки −4 ккал/моль и значение оптимального заряд при этой энергии обсуждается далее в этом разделе.

существование оптимального заряда (или диполя молекулы воды) может быть качественно рационализирован анализом взаимодействий вставленных молекул воды с атомами белка следующим образом.

Полная энергия молекулы воды, введенной Даузером E вода всего представляет собой сумму трех взаимодействий: 6–12 потенциал Леннарда-Джонса, заряд-дипольное взаимодействие молекул с фоновыми зарядами белка и электростатического диполь-дипольного взаимодействия молекул друг с другом,

2

Дипольный момент модели воды прямо пропорциональны зарядам, приписываемым атомамПотенциал Леннарда-Джонса E LJ не зависит от зарядов, взаимодействие белок-молекула линейна по заряду, U белок–вода q , взаимодействие вода–вода квадратичная, U вода–вода q 2 . В целом, полная энергия является квадратичной величиной. функцией зарядов и имеет стационарное значение при некотором заряде q* .

Когда заряды, приписываемые атомам воды, очень маленький, электростатический взаимодействия пренебрежимо малы, а энергия молекулы определяется только потенциалом Леннарда-Джонса E LJ , независимо от сборов.По мере увеличения заряда воды величина электростатических членов увеличивается. Во-первых, благоприятная белково-водная основную роль играют взаимодействия, линейные по заряду. То белок-вода член U белок-вода отрицательный, когда взаимодействие благоприятно, и, следовательно, этот термин уменьшает общую энергию вставленных молекул воды E вода всего . Уменьшение энергии уменьшает количество выбрасываемых молекул воды. и х увеличивается.Однако дальнейшее увеличение сборов меняет этот тренд.

При минимизации энергии электростатических взаимодействий между диполей молекул воды и фоновых зарядов мы заметили что часто несколько соседних молекул кластера стремятся выстроиться в линию указывая на один и тот же заряд белка, тем самым составляя систему параллельных диполей. Теперь начинается взаимодействие вода-вода. играть важную роль. Благоприятное взаимодействие белок-молекула линейна по заряду U белок–вода q , но неблагоприятная взаимодействие квадратичное U вода–вода q 2 .При небольших затратах выгодно преобладает линейный член, но при больших зарядах неблагоприятный квадратичный термин играет главную роль. В результате существует оптимальное значение заряда при котором энергия минимальна; чем ниже энергия молекулы, тем выше вероятность выполнения критерия E вода сумма < E отсечка , а значит, тем выше коэффициент попадания х. Следовательно, для заданной энергии отсечки существует оптимум значение заряда q H * , которое максимизирует коэффициент попадания χ.

В качестве примера на рисунке показана зависимость коэффициента попадания по заряду по энергии отсечки −4 ккал/моль. Максимум достигается при q H * = 0,33 e. При всех других энергиях оптимум заряд показан на рисунке .

χ авен ( q H ) at E отсечка = -4 ккал/моль. Дискретный характер зависимости обусловлено характером функции χ как отношение двух целых чисел, экв. 1.

На рисунке показан максимальный коэффициент попадания χ ( Q H * ( E Cutoff ), E Cutoff ) Для разных белков и среднего χ Ave ( Q H * ( E * ( E * ) отсечка ), E отсечка ) по всем 14 белковым структурам в виде функция энергии отсечки; значение заряда для каждой кривой равно q H * , что максимизирует χ при заданной энергии отсечки.Зависимость q H * ( E отсечка ) представлена ​​на рисунке.

Отношение попаданий χ ( q H * ( E отсечка ), E отсечка ) в зависимости от энергии отсечки для различных белок структуры из набора данных и их среднее значение χ ave ( q H * ( E отсечка ), E отсечка )

Как видно из рисунка, максимальное количество попаданий возрастает с увеличением энергии отсечки.Однако для каждого белка в наборе данных есть «точка насыщения» при котором дальнейшее увеличение энергии отсечки уже не приводит к увеличение коэффициента попадания. Поскольку энергии «насыщения» и максимальные коэффициенты попадания немного отличаются для разных белков, мы провели усреднение коэффициентов попаданий по всем белкам в набор данных. Полная линия на рисунке представляет усредненный коэффициент попадания χ ave ( q H * ( E отсечка ), E отсечка ) как функция энергии отсечки.Средний коэффициент попаданий монотонно растет, пока не достигнет достигает своего максимального значения 0,60 при -4 ккал/моль, что указывает на что -4 ккал/моль является оптимальным значением этого параметра.

Установка энергии отсечки ниже чем −4 ккал/моль приводит к отбрасыванию некоторых кристаллографических молекул, что то есть уменьшение коэффициента попадания χ ave ; в то время как установка пороги выше -4 ккал/моль, коэффициент попадания не меняется, а количество «неправильных» молекул, то есть тех молекул, которых не должно быть в структуре, увеличивается.Таким образом, баланс между правильно предсказанными молекулами и молекулами которые Даусер помещает в белковые полости, которых там быть не должно устанавливает оптимальное значение энергии отсечки вокруг значения, где χ ave достигает своего максимума. Формально критерий можно было бы сделать более строгим; однако на практике все равно связаны с некоторой неопределенностью из-за произвольного определения числового критерий, основанный на балансе правильно и неправильно предсказанных молекул, поэтому дальнейшие улучшения для этого анализа не оправданы.(Мы попытались изменить критерий, основанный на уравнении 1, и ввели штраф за ложный прогноз; однако в целом результаты существенно не изменились по сравнению с описанными. На самом деле, проблема довольно тонкая, так как включает ложноотрицательные результаты. данные, и потребовалось отдельное исследование, которое проводится в нашей лаборатории.)

Установка энергии отсечки на уровне -4 ккал/моль означает, что молекула может занимать место внутри белка только в том случае, если энергия взаимодействия молекулы с окружающей средой равна E связывание max = -4 ккал/моль или менее.

Как видно из рисунков и , максимум χ( q H ) при оптимальное значение порога -4 ккал/моль достигается при q H * = 0,33 e. Это дает следующую оценку оптимального значения дипольного момента:

3

Из характера анализа видно, эта величина характеризует только средний дипольный момент нескольких сайты гидратации рассматриваемых белков; тем не менее, это значение может быть воспринимается как представление изменений, происходящих с молекулой воды. в белковой среде.Ранее было показано, 20,32 следует понимать величину эффективного диполя воды в виде масштабированного значения μ эфф = μ/√ε el el =1,78 — электронная диэлектрическая проницаемость постоянная воды). 20 Следовательно, фактический (средний) дипольный момент воды в белках нашего набора данных составляет

4

Для сравнения, SPC и Эффективные диполи TIP3P составляют около 2,3 D, и фактический водяной диполь в объемной воде, к которому SPC и TIP3P модели соответствуют, оценивается примерно в 3 D. 22,23 Таким образом, мы видим, что эффективный диполь воды в белке существенно ниже, чем у SPC или TIP3P, что вызывает вопрос применимости таких моделей для моделирования белков воды. В В следующем разделе мы проводим теоретический анализ полученных результат.

3. Теория

В духе сольватации Борна модель, энергия сольватации молекулы воды в среде с диэлектрической проницаемостью ε 0 можно оценить по формуле Кирквуда–Онзагера Модель диэлектрической полости, 33,34 , которая представляет собой молекула растворителя в виде точечного диполя в центре сферической полости окружен диэлектрической средой.По этой модели подробнее см. в ссылке (20), сольватация энергия равна

5

, где μ 0 = 1,85 Д газовое значение водяного диполя, α = 1,47 А 3 – поляризуемость воды, а ε el =1,78 – ее электронная (высокочастотная) диэлектрическая проницаемость. Ясно, что «сольватация» введенная выше энергия не содержит энтропийного вклада (который составляет около −5 ккал/моль, как следует из энтропии жидкое состояние воды) и относится только к энергии взаимодействия диполя воды с окружающей средой (для дополнительного обсуждения соотношение энтальпии и энергии сольватации воды, см. ссылку (20)).Следовательно, эта энергия может быть напрямую связано с изменением энтальпии (здесь мы пренебрегаем несущественным Член PV в энтальпии, который равен RT и в газовой фазы составляет всего 0,6 ккал/моль.) Закупорка ε 0 = 78 в эту формулу дается свободная энергия молекулы в объеме Δ F solv l ) = −10,3 ккал/моль, что близко к экспериментальному значению энтальпия парообразования −10,5 ккал/моль. Рассматривая белок как среда с ε белка = 4, и используя приведенную выше формулу, можно найти, что энергия на молекулу в таком окружении равна Δ F solv белок ) = -6.0 ккал/моль. Это выигрыш в энергии, связанный с переходом молекулы воды из вакуума внутрь белка (опять же, энтропия здесь не считается). В обратном процессе также можно говорят, что для испарения молекулы из внутренней части белка требуется 6,0 ккал/моль,

6

Это энтальпия «испарения» из белковой среды, понимаемой точно так же, как и для объемной воды, меньше срока PV .

Требуемое количество энергии вывести молекулу из окружающего объем в белковой среде – это разница между энтальпией испарения и энергии сольватации молекулы воды в белке Δ H пар – Δ H белок = 10 – 6 = 4 ккал/моль.Для молекулы воды чтобы остаться внутри белка, этот разрыв в энергии должен быть компенсирован дополнительной энергией взаимодействия молекулы с зарядами белка. (Для обсуждения вклад энтропии, см. следующий раздел.) Энергия не должна превышают -4 ккал/моль, что полностью соответствует значению E связывание max = -4 ккал/моль, найденному в нашем анализе.

В среда с диэлектрической проницаемостью ε 0 , за счет к поляризации поля реакции молекулярный дипольный момент воды изменяется от своего газофазного значения μ 0 до среднего значение μ, которое согласно ссылке (20) равно

7

Таким образом, дипольный момент воды в жидкости (ε жидкость = 78) составляет

8

, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. и данные моделирования. 22−25 В низкодиэлектрической среде белка (ε белка = 4) дипольный момент меньше:

3,5

Эта оценка очень близка к полученной из анализа выходных данных Dowser (2,5 D).

4. Выводы и Обсуждение

В заключение, нашу работу можно резюмировать следующим образом: следует. Из анализа набора белковых структур определили оптимальные значения Параметры лозоходца μ и E отсечка , которые по существу представляют собой эффективный дипольный момент и энергию связи молекул воды в белковой среде.После правильной обрезки/привязки энергия −4 ккал/моль реализуется в Dowser, количество прогнозируемых кристаллографических вод возрастает до максимального значения.

Строго говоря, энергия связи должна обсуждаться в термины энергии Гиббса на молекулу или химический потенциал μ; а критерий должен быть μ prot < μ bulk , химический потенциал центра гидратации в белке интерьер должен быть ниже, чем у наливной воды. Разница с приведенным выше анализом является изменением энтропии между массой и сайты белков.Доусер пренебрегает этим вкладом. Это, безусловно, приближение, которое, возможно, частично отвечает за низкий предсказуемость программы; однако в среднем энтропийные вклады как ожидается, будут довольно малы по сравнению с энергиями связи в пределах 10 ккал/моль. Чтобы увидеть это, можно рассуждать как следует.

Для неподвижной воды максимальная разница (уменьшение) в энтропии между объемным (жидким) состоянием воды и белка может можно оценить как между жидкостью и льдом.В энергетических единицах РТ Δ S это всего 1,4 ккал/моль (от энтальпия таяния льда). Реально внутренняя вода в среднем менее неподвижна, чем во льду, отсюда и разница еще меньше, возможно, ниже 1 ккал/моль. Ранее Дуниц 35 пришел к тому же выводу, используя другой аргумент. Учитывая грубый характер приближений Даузера, эта разница незначительно по сравнению с изменениями энтальпии/энергии.

Для мобильных устройств белковая вода, то есть более подвижная, чем в массе, свободное вращение может привести к приросту энтропии (в единицах энергии) до 3 ккал/моль, по нашей оценке; но тогда некоторые водородные связи теряется по 5 ккал/моль; следовательно, энтропия сама по себе не может быть движущая сила гидратации (в отличие от парообразования).Очевидно, тонкий баланс между энергией и энтропией в диапазоне 1–2 ккал/моль, связанные с затрудненным вращением и трансляцией, могут играть роль. Однако, учитывая грубый характер Даузера и усредненную характеристику определенных значений, такие тонкие эффекты не могут быть захвачены в пределах этот подход. Вместо этого принимается грубое приближение и эмпирический значение энергии отсечки, связанное с изменением энергии взаимодействия (т. е. разница между массой и белком), определяется из экспериментальные данные.Как мы показали в разделе «Теория», определенное эмпирическое значение (4 ккал/моль) можно обосновать. количественно в рамках модели Кирквуда–Онзагера как разность в энергии взаимодействия между жидкой массой и белковыми средами.

Значение эффективного дипольного момента (усредненное над многими участками гидратации белка), максимизируя количество предсказанных молекул внутри белка оказалось 1,83 D, который следует сравнить с 2,3 D приблизительного SPC или TIP3P. модели объемной воды.Качественно это изменение не является неожиданным; однако интересно, что полученное значение можно рационализировать количественно в рамках простой модели масштабирования заряда.

Эффективный диполь позволяет оценить реальный дипольный момент в белковой среде с учетом масштабирования электростатических зарядов. Согласно теории масштабирования заряда, 32 величина эффективного дипольного момента следует понимать как масштабированное значение μ эфф = μ/√ε el , что обусловлено экранированием электростатических взаимодействий электронным континуумом.Эта теория объясняет разницу между значение водяного диполя μ эфф ≈ 2,3 D использовалось в обычных моделях жидкой воды и значение μ ≈ 3 D сообщается в экспериментальных исследованиях 22 и моделирование ab initio. 24,25 Для того, чтобы узнать реальную значение дипольного момента, нужно умножить на эффективный дипольный момент на коэффициент √ε el . Использование процедуру перемасштабирования заряда, находим, что средний дипольный момент молекул воды внутри белка нашего набора данных равно 2.5 Д, который следует сравнить с 3,0 D в объемной воде.

Значение 2,5 D полностью согласуется с теоретической оценкой на основе модели Кирквуда – Онзагера точечного диполя в диэлектрике Средняя. Значительное усиление дипольного момента от значение газовой фазы от 1,85 до 2,5 D обусловлено поляризацией воды в белковой среде за счет обоих белковых зарядов/(водород связь) и электронный континуум среды. В сравнении с объемным диполем 3,0 Д, уменьшенное значение 2.5D указывает что в белковой среде их в среднем меньше четырех водородные связи, типичные для объемной воды.

Эффективный диполь что лучше всего описывает воду в белковой среде составляет 1,83 дптр, что значительно меньше, чем 2,3 дптр у моделей SPC или TIP3P. Это указывает на то, что при моделировании неполяризуемой МД SPC или TIP3P водные модели могут не подойти для белкового интерьера. Эти результаты подчеркивают важность эффектов электронной поляризуемости и изменение масштаба заряда в биологических и других моделях конденсированных сред.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана национальная наука Фонд (NSF), грант PHY 0646273, и Национальные институты Health (NIH), грант GM054052.

Заявление о финансировании

Национальные институты здравоохранения США

Примечания

Авторы заявляют, что нет конкурирующие финансовые интересы.

Ссылки

  • Clarke C.; Вудс Р. Дж.; Глуска Ю.; Купер А.; Натли М.А.; Бонс Г.-Дж. Участие воды в углеводно-белковом Связывание.Варенье. хим. соц. 2001, 12348–12247. [PubMed] [Google Scholar]
  • Гарсия-Соса А. Т.; Ферт-Кларк С.; Мансера Р. Л. Включая прочно связанные молекулы воды в дизайне лекарств De Novo. Пример через генерацию in Silico поли(АДФ-рибозо)полимеразных лигандов. Дж. Хим. Инф. Модель. 2005, 453624–633. [PubMed] [Google Scholar]
  • Гарсия-Соса А. Т.; Мансера Р. Л. Расчеты свободной энергии мутаций с участием плотно Связанная молекула воды и лигандные замены в лиганд-белке Сложный.Мол. Инф. 2010, 298–9589–600. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кадирвелрай Р.; Фоли Б.Л.; Dyekjær JD; Вудс Р. Дж. Участие воды в связывании углеводов и белков: новый взгляд на конканавалин А. Варенье. хим. соц. 2008 г., 1305016933–16942. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Mancera R. Де Ново Лиганд Дизайн с явными молекулами воды: приложение к бактериям Нейраминидаза. J. Comput.-Aided Mol. Дес. 2002, 167479–499. [PubMed] [Google Scholar]
  • Мишель Дж.; Тирадо-Ривз Дж.; Йоргенсен В. Л. Энергетика вытеснения молекул воды из Сайты связывания белков: последствия для оптимизации лигандов. Варенье. хим. соц. 2009, 1314215403–15411. [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Микол В.; Папагеоргиу К.; Борер Х. Роль молекул воды в Структурно-ориентированный дизайн (5-гидроксинорвалин)-2-циклоспорина: синтез, Биологическая активность и кристаллографический анализ с циклофилином. Эй Джей Мед. хим. 1995, 38173361–3367. [PubMed] [Google Scholar]
  • Вонг С.Э.; Лайтстоун ФК Бухгалтерский учет для молекул воды в разработке лекарств. Мнение эксперта. Открытие наркотиков 2010, 6165–74. [PubMed] [Google Scholar]
  • Каруго О.; Бордо Д. Сколько молекул воды можно обнаружить с помощью кристаллографии белков? Acta Crystallogr., Sect. Д: биол. Кристаллогр. 1999, 552479–483. [PubMed] [Google Scholar]
  • Дэвис А. М.; Тиг С.Дж.; Клейвегт Г. Дж. Заявление и ограничения рентгена Кристаллографические данные в структурно-ориентированном дизайне лигандов и лекарств. Ангью. хим., Междунар. Эд. 2003, 42242718–2736. [PubMed] [Google Scholar]
  • Эрнст Дж.; Клубб Р.; Чжоу Х .; Гроненборн А.; Клор Г. Демонстрация позиционно-неупорядоченной воды в гидрофобном белке. Полость по ЯМР. Наука 1995, 26752051813–1817. [PubMed] [Google Scholar]
  • Dowser. http://danger.med.unc.edu/hermans/dowser/dowser.htm (доступ 25 августа 2011 г.).
  • Даузер Плагин. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/plugins/dowser/ (по состоянию на 5 марта 2013 г.).
  • Dowser — SBGrid Консорциум.http://www.sbgrid.org/software/title/Dowser (по состоянию на 3 февраля 2014 г.).
  • Хамфри В.; Далке А.; Шультен К. VMD: визуальная молекулярная динамика. Дж. Мол. График 1996, 14133-8–27-8. [PubMed] [Google Scholar]
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics (Интернет-версия 2010 г.), 90-е изд.; Лиде Д.Р., изд.; CRC Press/Taylor and Francis: Boca Raton, FL, 2010. [Google Scholar]
  • Berendsen H. J. C.; Postma JPM; ван Гюнстерен В.Ф.; Германс Дж.. Взаимодействие Модели воды по отношению к гидратации белка.в межмолекулярных силах; Пуллманн Б., изд.; Д. Рейдель Издательство: Дордрехт, 1981; стр. 331–342. [Google Scholar]
  • Йоргенсен В. Л.; Чандрасекар Дж.; Мадура Дж. Д.; Импи Р.В.; Клейн М.Л. Сравнение простых потенциальных функций для моделирования жидкой воды. Дж. Хим. физ. 1983, 792926–935. [Google Scholar]
  • Леонтьев И. В.; Стучебрухов А. А. Модель поляризуемого среднего поля воды для биологических Моделирование с силовыми полями AMBER и CHARMM. Дж. Хим. Теория вычисл.2012, 8, 3207–3216. [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Леонтьев И. В.; Стучебрухов А. А. Электронная поляризуемость и эффективные парные потенциалы воды. Дж. Хим. Теория вычисл. 2010, 6103153–3161. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Lovas F. J. микроволновка Спектральные таблицы. II. Трехатомные молекулы. Дж. физ. хим. Ссылка Данные 1978, 741445–1750. [Google Scholar]
  • Бадял Ю. С.; Сабунги М.Л.; Прайс Д. Л.; Шастри С.Д.; Хеффнер Д. Р.; Сопер А.К. Распределение электронов в воде. Дж. Хим. физ. 2000, 112, 9206–9208. [Google Scholar]
  • Грегори Дж. К.; Клэри округ Колумбия; Лю К.; Браун М.Г.; Сайкалли Р. Дж. Вода Дипольный момент в кластерах воды. Наука 1997, 275, 814–817. [PubMed] [Google Scholar]
  • Silvestrelli P. L.; Парринелло М. Структурный, Электронные и связующие свойства жидкости Вода из первых принципов. Дж. Хим. физ. 1999, 11183572–3580. [Google Scholar]
  • Шарма М.; Реста Р.; Автомобиль Р. Дипольные корреляции и диэлектрик Диэлектрическая проницаемость воды.физ. Преподобный Летт. 2007, 9824247401. [PubMed] [Google Scholar]
  • Накамура Х.; Сакамото Т.; Вада А. Теоретическая Исследование диэлектрика Константа белка. Белок англ. 1988, 23177–183. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кукич П.; Фаррелл Д.; Макинтош Л.П.; Гарсия-Морено Э.Б.; Дженсен К.С.; Толейкис З.; Тейлум К.; Нильсен Дж. Э. белок Диэлектрические постоянные, определенные по возмущениям химического сдвига ЯМР. Варенье. хим. соц. 2013, 1354516968–76. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Питера Дж.В.; Фальта М.; ван Гюнстерен В. Ф. Диэлектрик Свойства белков из Simulation: The Effects of Solvent, Ligands, pH, and Temperature. Биофиз. Дж. 2001, 8062546–2555. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Sleigh S. H.; Сиверс П.Р.; Уилкинсон А.Дж.; Лэдбери Дж. Э.; Тейм Дж. Р. Х. Кристаллографический и калориметрический анализ связывания пептида с белком OppA. Дж. Мол. биол. 1999, 23–415. [PubMed] [Google Scholar]
  • Росс Г. А.; Моррис Г.М.; Биггин П.К. Быстрое и точное прогнозирование и Оценка молекул воды в сайтах связывания белков.ПлоС Один 2012, 73e32036. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Россато Г.; Эрнст Б.; Ведани А.; Смиешко М. АкваАльта: Направленный подход к сольватации лиганд-белковых комплексов. Дж. Хим. Инф. Модель. 2011, 5181867–1881. [PubMed] [Google Scholar]
  • Леонтьев И. В.; Стучебрухов А. А. Учет электронной поляризации в неполяризуемом Силовые поля. физ. хим. хим. физ. 2011, 1372613–2626. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кирквуд Дж. ГРАММ. Диэлектрик Поляризация полярных жидкостей.Дж. Хим. физ. 1939, 710911–919. [Google Scholar]
  • Онсагер Л. Электрические моменты молекул в жидкостях. Варенье. хим. соц. 1936, 58, 1486–1493. [Google Scholar]
  • Дуниц Дж. Д. Энтропик Стоимость связанной воды в кристаллах и биомолекулах. Наука 1994, 2645159670. [PubMed] [Google Scholar]

диполей молекул воды | A-Level Biology Revision Notes

Краткое изложение диполей молекул воды
  • Вода является основным компонентом всех организмов
  • Молекула воды называется диполярной, поскольку она имеет положительный и отрицательный полюс в результате неравномерное распределение электронов внутри нее
  • Дипольная природа молекулы воды создает силы притяжения, известные как водородные связи, что позволяет им слипаться
  • Одним из многих типов свойств воды является высокая удельная теплоемкость, то есть она принимает много энергии, чтобы нагреть данную массу воды
  • Большое количество водородных связей в молекулах воды также означает, что для испарения одного грамма воды требуется много энергии.Энергия называется скрытой теплотой парообразования
  • Вода также используется для разрушения многих сложных молекул, например, путем гидролиза; дисахарид углеводы, расщепленные на моносахариды

Введение в воду

Вода является основным химическим компонентом всех клеток при построении новых клеток, а также используется для разрушения молекул. Он играет много важных ролей в организмах и является ключевым реагентом, используемым в фотосинтезе.По сути, вода известна как среда жизни, где около 70% поверхности Земли покрыто водой. Его полезные и уникальные свойства обусловлены его структурой. Это химическое соединение, известное как полярная молекула, где при стандартных температурах и давлении вода представляет собой жидкую водную форму, а твердое состояние воды известно как лед.

Подробнее о структуре и свойствах воды

Химическая структура воды
  • Вода имеет гораздо меньшую структуру по сравнению с другими молекулами
  • Является универсальным растворителем
  • Вода состоит из 2 атомов водорода, связанных с одним атом кислорода, что дает молекулярную формулу H 2 O.Атомы водорода связаны с атомами кислорода через ковалентные связи, которые представляют собой тип химической связи, соединяющей атомы водорода и кислорода вместе
  • Ковалентная связь – это связь, в которой два атома имеют одну и ту же пару электронов
  • Ковалентные связи образуются, когда электроны распределяются между двумя атомами для того, чтобы заполнить внешнюю оболочку каждого из них. Атому водорода требуется еще один электрон, а атому кислорода необходимо получить один электрон, чтобы внешняя оболочка была полной .Полярные молекулы, помещенные в воду, растворяются и диссоциируют на ионы воды. Ионные молекулы при попадании в воду диссоциируют на ионы. Именно вода обеспечивает протекание различных химических реакций:

    • Электроны в ковалентных связях воды распределены неравномерно и находятся ближе к ядру кислорода, чем к ядрам водорода. Это связано с тем, что отрицательно заряженные электроны в электронной паре сильнее притягиваются к ядру кислорода, поскольку положительно заряженных протонов больше.Ядро кислорода в природе намного больше, так как в нем 8 протонов, тогда как ядро ​​водорода имеет 1 протон (рис. 1). Протоны по своей природе положительны, а электроны заряжены отрицательно. Ковалентно связанные электроны будут притягиваться к позитивным вещам, а поскольку в ядре кислорода больше протонов, чем в водороде, они будут больше притягиваться к атому кислорода.
    • Неравное распределение электронов приводит к тому, что атом кислорода становится полярным и слегка отрицательным.Есть слегка отрицательный атом кислорода и слегка положительные атомы водорода.

    Неравномерное распределение заряда по молекулам воды делает ее полярной молекулой .
    Полярные молекулы — это молекулы с неравномерным распределением заряда. Полярность воды вызывает притяжение между молекулами воды. Эта сила притяжения известна как водородная связь .

    Водородная связь в воде

    Связь между молекулами, при которой слегка положительные атомы водорода в одной молекуле воды притягиваются к слегка отрицательному атому кислорода в другой молекуле воды.Тип притяжения представляет собой слабое взаимодействие, которое происходит между слегка отрицательно заряженными атомами и слегка положительно заряженными атомами. Она слабее ковалентной связи, но представляет собой сильнейшую межмолекулярную силу. Каждая из отдельных водородных связей слаба, и вода образует многие из этих водородных связей.

    Водородная связь представляет собой слабое взаимодействие между слегка отрицательно заряженными атомами и слегка положительно заряженными атомами.

    Вода образует внутри себя водородные связи.Множество водородных связей в воде придает ей высокую стабильность, поэтому для повышения температуры воды требуется большое количество энергии.

    Рисунок 1: Молекула воды

    Физические свойства воды

    Хотя вода является самой распространенной жидкостью на Земле, структура молекулы воды обуславливает ее несколько необычных свойств.
    В частности, многие из указанных ниже свойств обусловлены его диполярной природой и последующими водородными связями , которые он образует и допускает.

    Растворитель

    Вода является хорошим растворителем, поскольку она представляет собой заряженную молекулу, позволяющую легко ее транспортировать, а дипольная природа ее молекулы воды позволяет другим полярным молекулам легко растворяться в воде. Такие примеры заряженных полярных молекул, как соли, аминокислоты и сахара, способны легко растворяться в воде. Они называются гидрофильными ; «водолюбивые» молекулы. Неполярные молекулы, такие как липиды, называются гидрофобными , «ненавидящими воду».

    Высокая теплоемкость

    Склонность молекул воды слипаться называется когезией. Следовательно, для разделения слипшихся молекул потребовалось бы больше тепловой энергии, чем если бы они не были связаны друг с другом. Что касается воды, вода не очень легко меняет температуру, поскольку ее удельная теплоемкость составляет 4,2 Дж г-1 °C-1, что, говоря простым языком, означает, что для нагрева 1 г воды на 1 °C требуется 4,2 Дж энергии. . Это очень высокий показатель, который поддерживает стабильность водной и клеточной среды.

    Высокая скрытая теплота парообразования

    Водородные связи между молекулами воды позволяют ей иметь высокую скрытую теплоту парообразования. Следовательно, для перехода воды из жидкого состояния в газообразное требуется большое количество энергии, при котором испарение оказывает охлаждающее действие на организмы, такое как потоотделение у животных и транспирация у растений

    Плотность

    Вода обладает уникальным свойством что в твердом состоянии (лед) он менее плотный, чем в жидком состоянии, и может плавать на воде.Это свойство отличается от обычной ситуации, поскольку большинство веществ находятся в газообразной форме, когда они менее плотные, а более плотные находятся в твердом состоянии. Это показывает, насколько вода отличается. Свойство воды делает жизненно важным для водных организмов способность выживать при минусовых температурах, например, в прудах, озерах и т. д.

    Сцепление и поверхностное натяжение в воде

    имеют тенденцию слипаться с другими молекулами.Это связано с водородными связями внутри молекул воды, которые вызывают большие силы сцепления, что позволяет воде проходить через трубку, например, в растениях; сосуды ксилемы, которые представляют собой длинные трубки, которые помогают в транспортировке воды, чтобы обеспечить механическую поддержку плана. Другая сила, называемая поверхностным натяжением , также является уникальным свойством воды. Поверхностное натяжение — это сила притяжения, которая может действовать на поверхность других молекул жидкости, что придает поверхности жидкости тенденцию сжиматься до минимальной площади поверхности, а не вытекать из массы воды.Поверхностное натяжение воды позволяет фигуристам ходить по воде или позволяет насекомым, которые обычно плотнее воды, плавать по поверхности воды.

    pH

    Вода сама по себе частично ионизирована и содержит ионы H+, что делает некоторые биохимические реакции чувствительными к изменениям pH. Чистая вода не буферизуется при нейтральном рН, в отличие от цитоплазмы и тканевых жидкостей живых организмов, которые буферизуются при нейтральном рН 7,5.

    Ионизация

    Ионизация – это процесс образования или расщепления молекул на их катионы и анионы.Например, когда хлорид натрия (NaCl) растворяется в воде, они ионизируются и разделяются на положительные и отрицательные ионы (Na ++ , Cl ).

    Каталожные номера:

    [1]. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:h3O_Polarization_V.1.svg
    [2]. https://openstax.org/books/biology-2e/pages/2-2-water

    Одиночный дипольный слой воды вызывает обратимый переход порядка заряда

    Недавно исследовательская группа Шичао Яна из Школы физических наук и технологий сообщила об обратимом переход порядка заряда, индуцированный межфазной водой.Их работа была опубликована в Nano Letters под названием «Переход обратимого порядка заряда, управляемый одним водным дипольным слоем, в 1 T -TaS 2 ».

            Интерфейсы вода/твердое тело играют важную роль в широком спектре областей исследований, включая науку о поверхности, химическую физику, материаловедение и биологические науки. В этой работе исследователи используют метод низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) для исследования влияния межфазной воды на порядок волны плотности заряда (ВЗП) прототипного материала дихалькогенидов переходных металлов со структурой 1 T (1 T -ТаС 2 ).Тщательно контролируя условия эпитаксиального роста, они успешно выращивают высокоупорядоченный слой воды на 1 T -TaS 2 . Они обнаруживают, что водный адслой переключает самый верхний слой 1 T -TaS 2  в новую и хорошо упорядоченную фазу ВЗП с совершенно другой периодичностью, чем в нетронутом 1 T -TaS 2 . После десорбции воды исходный порядок ВЗП в 1 T -TaS 2 восстанавливается, а остаточные кластеры воды, захваченные собственными примесями, создают локализованные домены ВЗП, разделенные доменными стенками ВЗП.

       

    T -TaS 2 , который сдвигает режим смягчения фононов и индуцирует переход зарядового порядка. Эта работа будет стимулировать дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования по изучению взаимодействий между межфазной водой и другими коллективными квантовыми состояниями материи.Их результаты также прокладывают путь к созданию новых коллективных квантовых состояний материи с молекулярным дипольным слоем.

    Профессор Шичао Ян и доктор Бинь Шао являются авторами этого исследования. Эта работа была поддержана грантами Министерства науки и технологий Китая, Национального научного фонда Китая и стартап-финансированием Шанхайского технологического университета.

     

    Ссылка: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c03857

    Эффективные фотокатализаторы на основе хромата висмута, индуцированные большим дипольным моментом, для окисления воды с широким спектром действия и полной минерализации загрязняющих веществ | Национальное научное обозрение

    Аннотация

    Здесь представлен фотокатализатор Bi 8 (CrO 4 )O 11 , чувствительный к широкому спектру (~678 нм) с теоретической эффективностью солнечного спектра 42.0% было успешно построено. Bi 8 (CrO 4 )O 11 продемонстрировал высокоэффективную и стабильную фотокаталитическую активность в отношении окисления воды с заметной кажущейся квантовой эффективностью 2,87% (420 нм), что превосходит многие известные фотокатализаторы с широким спектром действия. Наиболее примечательно то, что его сильная окислительная способность также обеспечивает одновременную деградацию и полную минерализацию фенола, а его отличные характеристики примерно в 23,0 и 2,9 раза выше, чем у CdS и P25-TiO 2 соответственно.Его высокая активность приписывается гигантскому внутреннему электрическому полю, индуцируемому его большим кристаллическим диполем, который ускоряет быстрое разделение фотогенерированных электронно-дырочных пар. Вкратце, открытие хромата висмута широкого спектра действия и механизма экспоненциально повышенной фотокаталитической эффективности за счет увеличения кристаллического диполя проливает свет на улучшение преобразования солнечной энергии.

    ВВЕДЕНИЕ

    Было признано, что преобразование и использование солнечной энергии для производства химического топлива и восстановления окружающей среды посредством искусственного фотокатализа является идеальным путем для решения важнейших энергетических и экологических проблем [1–3].Полное использование солнечного света является серьезной проблемой для достижения достаточной эффективности в практических приложениях. На ранних стадиях в исследованиях фотокатализа доминировали активируемые УФ-светом материалы, такие как TiO 2 , SrTiO 3 , NaTaO 3 и т. носители для запуска химических реакций [4–7]. Тем не менее, чрезвычайно низкое соотношение УФ-фотонов в солнечной энергии сильно препятствует возможности максимизировать эффективность преобразования солнечной энергии в химическую.В последние годы ряд смешанных анионных и неоксидных материалов, таких как (окси)нитриды и (окси)сульфиды, был разработан в качестве привлекательных широкополосных светочувствительных фотокатализаторов [8–11]. Максимумы валентной полосы (VB) материалов со смешанными анионами можно в значительной степени регулировать путем гибридизации O 2p или других введенных анионных орбиталей, обеспечивая как широкополосное поглощение света, так и подходящие потенциалы полос как для восстановления, так и для окисления воды [12,13]. Например, BaNbO 2 N, описанный Hisatomi et al. ., может расширить поглощение света до 740 нм и одновременно демонстрирует эффективное окисление воды [14]. Однако сужение ширины запрещенной зоны фотокатализатора ослабляет движущую силу окислительно-восстановительных реакций, особенно окисления воды и разложения загрязняющих веществ, поскольку эти реакции включают сложный многоэлектронный процесс [15]. Таким образом, разработка чувствительных и высокоэффективных фотокатализаторов широкого спектра действия для окисления воды и разложения загрязняющих веществ является важнейшей задачей, требующей решения в настоящее время.

    Оксометаллатные материалы на основе Bi, такие как BiVO 4 , Bi 2 WO 6 , Bi 2 MoO 6 и т. д. . широко изучались в качестве фотокатализаторов, активных в видимом свете, благодаря их высокой стабильности, обильным ресурсам и низкой токсичности [16–19]. Более того, они также демонстрируют превосходные фотокаталитические характеристики при окислении воды, чему в основном способствует их достаточно глубокое положение VB по сравнению с потенциалом окисления воды и разложения загрязняющих веществ [20,21].В частности, фотокатализаторы BiVO 4 демонстрируют высокоэффективные и стабильные характеристики окисления воды, а их наивысшая эффективность преобразования солнечной энергии в водород составляет 1,2% для расщепления чистой воды по Z-схеме путем сочетания с SrTiO 3 : La, Сообщалось о Rh [22]. Тем не менее их относительно широкая ширина запрещенной зоны (около 2,5 эВ) сильно ограничивает их дальнейшее применение. Недавно исследования слоистых двойных гидроксидных фотокатализаторов на основе Cr показали, что гибридизация 3d-орбиталей Cr с 2p-орбиталями O в кластерах [CrO 6 ] сдвигает минимум зоны проводимости (CB) вниз и приводит к широкому поглощению видимого света [23]. ,24].Вдохновленная вышеизложенным, создание фотокатализатора на основе хромата висмута может быть желательным путем для достижения широких, эффективных и стабильных фотокаталитических характеристик.

    В этой работе был успешно сконструирован фотокатализатор Bi 8 (CrO 4 )O 11 , чувствительный к широкому спектру. Bi 8 (CrO 4 )O 11 благодаря гибридизации Cr 3d с O 2p-орбиталями, сдвигающей минимум зоны проводимости вниз, допускает его поглощение вплоть до всей видимой области (∼678 нм) с теоретической солнечной спектральная эффективность 42.0%. Кроме того, благодаря гигантскому внутреннему электрическому полю (IEF), индуцированному его большим дипольным моментом, Bi 8 (CrO 4 )O 11 реализовал очевидно быстрое разделение фотогенерированных электронно-дырочных пар, таким образом, продемонстрировав высокоэффективную фотокаталитическую воду. окислительная активность с заметным кажущимся квантовым выходом 2,87% (420 нм), что превосходит многие известные фотокатализаторы с широким спектром действия. Наиболее примечательно то, что его сильная окислительная способность также обеспечивает одновременную деградацию и полную минерализацию фенола, а его отличные характеристики составляют около 23.0 и 2,9 раза выше, чем CdS и P25–TiO 2 соответственно.

    РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

    Здесь моноклинные наностержни Bi 8 (CrO 4 )O 11 (рис. S1–S3), новый фотокатализатор хромата висмута, были успешно синтезированы с помощью несложной гидротермальной реакции. Затем была применена теория функционала плотности (DFT) для расчета электронной структуры этого хромата висмута. Как показано на рис. 1а, Bi 8 (CrO 4 )O 11 обладает относительно небольшой шириной запрещенной зоны, равной 1.71 эВ. Более того, плотность состояния Bi 8 (CrO 4 )O 11 показывает, что его VB в основном состоит из O 2p и Bi 6s орбиталей, что согласуется с другими оксометаллатными фотокатализаторами на основе Bi, которые могут эффективно избежать самоокислительная дезактивация фотогенерированными дырками. Кроме того, его CB в основном обеспечивается гибридизацией 3d-орбиталей Cr с 2p-орбиталями O, демонстрируя, что введение кластера [CrO 4 ] играет решающую роль в распространении поглощения на всю видимую область.Кроме того, непрямая зонная структура Bi 8 (CrO 4 )O 11 также подтверждается его электронной зонной диаграммой (рис. S4a), которая свидетельствует в пользу ограничения рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар. В спектре диффузного отражения (СДО) (рис. 1б) наностержневой фотокатализатор Bi 8 (CrO 4 )O 11 демонстрирует достаточно широкую полосу поглощения, практически допускающую поглощение света до всей видимой области, а его максимальное теоретическое использование солнечной энергии может достигать 42.0%. Почти в соответствии с приведенным выше результатом DFT ширина запрещенной зоны Bi 8 (CrO 4 )O 11 была рассчитана как 1,83 эВ по функции Кубелки–Мунка, что полностью удовлетворяет термодинамическому энергетическому критерию расщепления воды [25, 26]. Как показано на рис. 1c, Bi 8 (CrO 4 )O 11 демонстрирует явно высокое поверхностное фотонапряжение (SPV), а диапазон отклика может быть расширен примерно до 678 нм, демонстрируя широкоспектральный фотокаталитический эффект. деятельность.Кроме того, он демонстрирует положительный сигнал поверхностного фотоэдс, а это означает, что фотогенерированные дырки являются основными переносчиками и переносятся на поверхность для окисления реагентов. Таким образом, приведенные выше результаты показывают, что наностержень Bi 8 (CrO 4 )O 11 является очень многообещающим и стабильным фотокатализатором с широким спектром действия.

    Рис. 1.

    (а) Расчетная плотность состояния, (б) DRS UV-vis-NIR (соответствующие графики Тауца и фотография образца показаны на вставке), (c) спектр поверхностной фотоэдс, (d ) схематическое изображение окислительно-восстановительных потенциалов Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    Рис. 1.

    (а) Расчетная плотность состояния, (б) УФ-видимая-БИК ДРС (соответствующие графики Тауца и фотография образца показаны на вставке), (в) спектр поверхностной фотоэдс, ( г) схематическое изображение окислительно-восстановительных потенциалов Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    Учитывая, что фотокаталитическая окислительно-восстановительная способность в основном зависит от потенциала энергетической зоны, окислительно-восстановительные потенциалы наностержневого фотокатализатора Bi 8 (CrO 4 )O 11 были рассчитаны по графикам DRS и Мотта–Шоттки (рис. .S5а) [27,28]. Как показано на рис. 1г, ЦТ Bi 8 (CrO 4 )O 11 расположен при 0,12 эВ относительно NHE (pH = 0), немного глубже, чем восстановительный потенциал H + . /Н 2 . Кроме того, его ВЗ 1,95 эВ более положительна, чем окислительный потенциал OH /O 2 , что указывает на то, что фотогенерированные дырки Bi 8 (CrO 4 )O 11 наностержневого фотокатализатора обладают исключительно обладает сильной способностью к окислению и может расщеплять воду с выделением O 2 и даже полностью минерализовать органические загрязнители под видимым светом.

    Сначала мы оцениваем эффективность фотокаталитического окисления воды на наностержнях Bi 8 (CrO 4 )O 11 . На рис. 2а показано сравнение скорости фотокаталитического выделения O 2 в разных образцах. Можно видеть, что Bi 8 (CrO 4 )O 11 продемонстрировал гораздо более высокие характеристики фотокаталитического окисления воды, и его средняя скорость выделения O 2 достигла 14,94 мкмоль ч -1 , примерно 11,5 и 4.0 раз выше, чем у нанолистов Bi 2 WO 6 [29] и коммерческих наночастиц WO 3 . Кроме того, Bi 8 (CrO 4 )O 11 , следовательно, достиг значительной кажущейся квантовой эффективности (AQE) 2,87% при 420 нм, даже 0,65% при 650 нм (рис. 2b), что выше, чем у многих широко известных фотокатализаторы, управляемые спектром (таблица S2). Кроме того, тенденция значений AQE для окисления воды по Bi 8 (CrO 4 )O 11 также согласуется с его УФ-видимым DRS, что еще раз подтверждает, что фотокаталитическая реакция окисления воды управляется ее поглощенным падающим веществом. фотоны.Кроме того, после загрузки Co(OH) 2 в качестве сокатализатора его эффективность фотокаталитического окисления воды улучшилась в 2,1 раза (рис. S6). Не менее важно и то, что на Bi 8 (CrO 4 )O 11 во время непрерывной фотокаталитической реакции окисления воды в течение 72 часов не произошло заметной дезактивации (рис. S7a ) . Сравнивая его рентгенограммы и результаты XPS до и после реакции (рис. S7b и S8), можно обнаружить, что кристаллическая структура и состав Bi 8 (CrO 4 )O 11 после реакции не показывают заметных изменений. , что еще раз указывает на его надежную устойчивость к воде и легкой коррозии.

    Рис. 2.

    (а) Сравнение фотокаталитической активности окисления воды на различных фотокатализаторах. (b) AQE окисления воды в зависимости от длины волны на Bi 8 (CrO 4 )O 11 . (c) Сравнение констант скорости деградации, скорости деградации и скорости удаления TOC фенола на различных фотокатализаторах. (d) Зависимая от длины волны скорость разложения и скорость удаления TOC фенола над Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    Рис. 2.

    (a) Сравнение активности фотокаталитического окисления воды на различных фотокатализаторах. (b) AQE окисления воды в зависимости от длины волны на Bi 8 (CrO 4 )O 11 . (c) Сравнение констант скорости деградации, скорости деградации и скорости удаления TOC фенола на различных фотокатализаторах. (d) Зависимая от длины волны скорость разложения и скорость удаления TOC фенола над Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    Наиболее заметно превосходная активность Bi 8 (CrO 4 )O 11 также проявляется в фотокаталитической деградации фенола. Как показано на рис. 2с, Bi 8 (CrO 4 )O 11 продемонстрировал превосходную эффективность фотокаталитического разложения фенола в видимом свете, а его константа реакции разложения может достигать 0,119 мин -1 , около 22,5 и в 8,8 раза выше, чем нанопроволоки CdS [30] и супрамолекулярные фотокатализаторы N,N’-ди(пропановая кислота)-перилен-3,4,9,10-тетракарбоновая кислота (PDI) [31,32] соответственно.Даже его деградационная активность не уступает P25 TiO 2 при искусственном солнечном свете, превышая последний примерно в 2,9 раза. Примечательно, что Bi 8 (CrO 4 )O 11 также проявляет чрезвычайно сильную способность к минерализации, что почти обеспечивает одновременную деградацию и полную минерализацию фенола. Коэффициенты полного удаления органического углерода (TOC) фенола над Bi 8 (CrO 4 )O 11 при видимом свете и искусственном солнечном свете составляют 94.8% (скорость разложения: 95,5%) и 97,3% (степень разложения: 98,1%) за 0,5 ч соответственно, в то время как у CdS, PDI и P25 значительно ниже соответствующих скоростей разложения. В частности, даже при облучении красным светом с длиной волны 650 нм Bi 8 (CrO 4 )O 11 по-прежнему способен одновременно разлагать и полностью минерализовать фенол (рис. 2d), и немногие фотокатализаторы с широким спектром действия могут достичь что [33]. Кроме того, Bi 8 (CrO 4 )O 11 также продемонстрировал высокоэффективную активность фотокаталитического разложения формальдегида под действием видимого света в системе с непрерывным потоком, и степень удаления можно было поддерживать на уровне около 95% (рис.S10с). При непрерывном измерении в течение 76 часов заметной дезактивации не наблюдается.

    Хорошо известно, что фотокаталитическая активность тесно связана с эффективностью разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар [34–36]. Предыдущие исследования показали, что IEF, индуцированный кристаллическим диполем, считается эффективным для эффективного разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар и экспоненциального повышения фотокаталитических характеристик, например, в Bi 2 MoO 6 , BiPO 4 и BiOCl [37–39].Поэтому для выявления механизма высокой активности Bi 8 (CrO 4 )O 11 были исследованы кристаллические диполи Bi 8 (CrO 4 )O 11 Было изучено 24 нанолистов (рис. S1 и S2) и их влияние на разделение носителей заряда и фотокаталитическую активность. С помощью уравнения Дебая дипольные моменты Bi 8 (CrO 4 )O 11 и Bi 14 CrO 24 были рассчитаны равными 22.32 и 2,52 Дебая (D) соответственно. Как показано на рис. 3а, из-за существования большого диполя Bi 8 (CrO 4 )O 11 искажение ] многогранники индуцировали явно неравномерное распределение электронного облака между Bi-O и Cr-O, что приводило к гигантскому ИЭП. Затем применяли методы силовой микроскопии с зондом Кельвина для выявления распределения IEF в Bi 8 (CrO 4 ) O 11 и Bi 14 CrO 24 .Как показано на рис. 3б, Bi 8 (CrO 4 )O 11 показывает очевидную разницу в контактной разности потенциалов (КПД) между краем и объемом, около 202 мВ (рис. 3в), но разница CPD по сравнению с Bi 14 CrO 24 практически незаметна, всего около 39 мВ. Согласно литературным данным, относительно большая разница CPD между двумя областями отражает то, что в кристалле формируется относительно сильный ИЭП [40–42], что, следовательно, демонстрирует существование большего ИЭП в Bi 8 (CrO 4 ) О 11 .

    Рис. 3.

    (а) Вид сбоку на разность плотностей заряда и усредненную по плоскости разность концентраций электронов Δρ( z ) (желтая и зеленая области обозначают обеднение и накопление электронами соответственно), (б) поверхность изображение потенциала в темном состоянии, (в) сечение распределения поверхностного потенциала вдоль синей линии ab и cd в (б) и (г) корреляция между дипольными моментами, напряженностью внутреннего электрического поля, поверхностной фотоэдс и фотокаталитической активностью Bi 8 (CrO 4 )O 11 и Bi 14 CrO 24 .

    Рис. 3.

    (а) Вид сбоку на разность плотностей заряда и усредненную по плоскости разность концентраций электронов Δρ( z ) (желтая и зеленая области обозначают истощение и накопление электронов соответственно), (б) изображение поверхностного потенциала в темном состоянии, (в) сечение распределения поверхностного потенциала вдоль синей линии ab и cd в (б) и (г) корреляция между дипольными моментами, напряженностью внутреннего электрического поля, поверхностной фотоэдс и фотокаталитической активностью из Bi 8 (CrO 4 )O 11 и Bi 14 CrO 24 .

    Кроме того, интенсивность их ИЭФ измерялась с помощью модели, разработанной Каната-Кито и др. . (подробности приведены в дополнительных данных онлайн) [43,44]. Можно обнаружить, что ИЭП Bi 8 (CrO 4 )O 11 в 8,4 раза выше, чем у Bi 14 CrO 24 (рис. S13), что хорошо согласуется с приведенными выше результатами. . Благодаря большему IEF Bi 8 (CrO 4 ) O 11 продемонстрировал явно более сильную реакцию поверхностного фотонапряжения и плотность фототока (рис.S16), примерно в 22,7 и 4,0 раза выше, чем у Bi 14 CrO 24 соответственно, что свидетельствует о более быстрой кинетике переноса носителей заряда в Bi 8 (CrO 4 )O 11 . Как и ожидалось, Bi 8 (CrO 4 )O 11 продемонстрировал в 17,2 и 153,0 раза более высокую эффективность фотокаталитического окисления и разложения воды, чем Bi 14 CrO 24 соответственно. Затем, после суммирования приведенных выше результатов на рис. 3d, можно обнаружить, что IEF, эффективность разделения заряда и фотокаталитическая активность хромата висмута положительно коррелируют с их дипольными моментами; таким образом, Bi 8 (CrO 4 )O 11 с большим диполем показал значительно более высокие IEF, эффективность разделения заряда и фотокаталитические характеристики.Следовательно, как показано на схеме 1, большой кристаллический диполь Bi 8 (CrO 4 )O 11 индуцирует гигантский IEF, который ускоряет быстрое разделение фотогенерированных электронно-дырочных пар и экспоненциально увеличивает его фотокаталитические характеристики. Что наиболее важно, на основе описанного выше механизма можно успешно разработать гораздо более эффективные фотокатализаторы, регулируя кристаллический диполь.

    Схема 1.

    Схематический механизм фотокаталитической реакции на Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    Схема 1.

    Схематический механизм фотокаталитической реакции на Bi 8 (CrO 4 )O 11 .

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    В заключение, путем гибридизации Cr 3d с O 2p-орбиталями был сконструирован наностержневой фотокатализатор Bi 8 (CrO 4 )O 11 с широким спектром (~678 нм). Приписываемый гигантскому IEF, вызванному его большим дипольным моментом, Bi 8 (CrO 4 )O 11 реализует явно быстрое разделение фотогенерированных электронно-дырочных пар, тем самым демонстрируя высокоэффективные фотокаталитические характеристики окисления воды с заметной кажущейся квантовой скоростью. выход 2.87% (420 нм), что превосходит многие известные фотокатализаторы с широким спектром действия. Наиболее примечательно то, что его сильная способность к окислению также обеспечивает одновременную деградацию и полную минерализацию фенола, а его отличные характеристики примерно в 23,0 и 2,9 раза выше, чем у CdS и P25-TiO 2 соответственно. Вкратце, открытие хромата висмута широкого спектра действия и механизма экспоненциально повышенной фотокаталитической эффективности за счет увеличения кристаллического диполя проливает свет на разработку эффективных фотокатализаторов широкого спектра действия.

    МЕТОДЫ

    Синтез образцов

    NaBiO 3 и другие химические вещества были приобретены у компаний Aladdin и Sigma-Aldrich соответственно и использовались без дополнительной очистки. Для наностержней Bi 8 (CrO 4 )O 11 0,56 г NaBiO 3 диспергировали ультразвуком в 80 мл деионизированной воды с последующим добавлением 7,35 мл 25 ммоль L -1 Cr(1NO)113 3 водный раствор при интенсивном перемешивании.Затем полученный раствор переносили в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием объемом 100 мл и выдерживали при 180°C в течение 6 часов. Коричнево-красный Bi 8 (CrO 4 )O 11 собирали центрифужным разделением, несколько раз тщательно промывали этанолом и деионизированной водой и сушили при 70°C в течение ночи. Для нанолистов Bi 14 CrO 24 1 ммоль Bi(NO 3 ) 3 и 0,084 ммоль Cr(NO 3 ) 3 растворяли ультразвуком в водном растворе 2 л мантола ), с последующим добавлением 5 мл насыщенного раствора Na 2 CO 3 при интенсивном перемешивании.Затем полученный раствор переносили в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием объемом 50 мл и выдерживали при 150°C в течение 12 часов. Предшественник собирали путем разделения на центрифуге, несколько раз тщательно промывали этанолом и деионизированной водой и сушили при 70°С в течение ночи. Затем прекурсор прокаливали в тигле при определенной температуре в течение 10 мин в атмосфере воздуха с получением оранжево-красных нанолистов Bi 14 CrO 24 .

    Для сравнения, нанопластинки BiWO 6 были синтезированы как в [29], а наночастицы WO 3 были приобретены у Aladdin.

    Характеристика

    рентгенограммы образцов были получены на рентгеновском дифрактометре Rigaku D/max-2400 с использованием Cu Kα1 (λ = 0,154 18 нм) при 40 кВ и 200 мА с шагом сканирования 0,02°. Морфологию образцов измеряли с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборе Hitachi HT 7700 при ускоряющем напряжении 100 кВ и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ высокого разрешения) на приборе JEOL JEM-2100F, работающем при ускоряющем напряжении 200 кВ. .Сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией (FESEM) на Hitachi SU-8010 использовалась для дальнейшего исследования морфологии. Измерения XPS проводились с использованием прибора ESCALAB 250Xi (Thermo Scientific) с излучением Al Kα. DRS были получены на Cary 5000 (Varian) с BaSO 4 в качестве эталона. Изображения поверхностного потенциала образцов измеряли с помощью силовой микроскопии зонда Кельвина (KPFM) в атмосфере окружающей среды на Cypher VRS (Oxford Instruments), а в качестве наконечника Кельвина использовали кремниевый наконечник с покрытием Pt/Ir.Измерения поверхностной фотоэдс проводились с помощью самодельного прибора, как сообщалось ранее [45]. Фотоэлектрохимические измерения проводились на электрохимической рабочей станции CHI660E с использованием стандартной трехэлектродной ячейки с рабочим электродом, противоэлектродом из платиновой проволоки и насыщенным каломельным электродом сравнения. Na 2 SO 4 (0,1 моль л -1 ) использовали раствор электролита. Рабочий электрод был приготовлен путем погружения суспензии фотокатализатора на стеклянный электрод ITO (2 × 4 см 2 ).

    Оценка эффективности фотокатализатора

    Реакцию фотокаталитического окисления воды при облучении видимым светом проводили в реакционном сосуде Pyrex с верхним облучением при стационарной температуре 5°C, который был соединен со стеклянной закрытой газовой системой (Labsolar-6A, PerfectLight). 100 мг фотокатализатора суспендировали отдельно в 100 мл водного раствора (pH = 2,5), содержащего 10 ммоль L -1 Fe(NO 3 ) 3 в качестве расходуемого реагента.Затем суспензию тщательно дегазировали и облучали Xe-лампой мощностью 300 Вт с отсекающим фильтром (λ ≥ 420 нм, интенсивность света 250–260 мВт·см -2 ). Выделившиеся газы анализировали через заданные промежутки времени на онлайновом газовом хроматографе (GC-2002 N/TFF, детектор ТХД, носитель Ar, колонка с молекулярным ситом 5 Å).

    АКЭ для окисления воды измеряли с использованием Xe-лампы мощностью 300 Вт (FX300, PerfectLight) с различными полосовыми фильтрами 420, 450, 500, 550, 600 и 650 нм (FWHM = 15 нм).Площадь облучения контролировалась как 1,2 × 1,2 см 2 . Среднюю интенсивность определяли измерителем оптической мощности (S310C, подключенный к консоли PM100D, Thorlabs). AQE был рассчитан следующим образом:

    $$\begin{eqnarray*} {{\rm{AQE\}}}\номер\\ &=&\frac{{4{\rm{\}} \times {\rm{\the\ число\ из\развитых\}}{{\rm{O}}_2}{\rm{\молекул}} }}{{{\rm{\ число\ падающих\ фотонов}}}}{\rm{\ }}\не число\\ && \times {\rm{\ }}100{\rm{\% }}. \end{eqnarray*}$$

    Реакции фотодеградации проводили в кварцевых трубчатых реакторах с 50 мл раствора загрязнителя фенола 10 ppm и 25 мг порошков фотокатализаторов.Реакционный раствор поддерживали при 35°С с помощью системы рециркуляции охлаждающей воды. В качестве источника видимого света использовалась Xe-лампа мощностью 300 Вт с отсекающим фильтром (λ ≥ 420 нм). Перед облучением светом растворы суспензий сначала диспергировали ультразвуком в течение 5 мин, а затем перемешивали магнитной мешалкой в ​​течение 1 ч в темноте до достижения равновесия адсорбции-десорбции. Через определенные промежутки времени суспензию (2 мл) экстрагировали и центрифугировали для удаления фотокатализаторов. Концентрацию фенольных загрязнителей определяли с помощью системы высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) (Shimadzu LC-20AT) с обращенно-фазовой колонкой C18, а общий органический углерод (TOC) в водном растворе анализировали с помощью анализатора TOC. (Multi N/C 2100, Analytik Jena AG).

    ФИНАНСИРОВАНИЕ

    Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (21437003, 21673126, 21761142017, 21621003 и 21872077) и Совместным инновационным центром регионального качества окружающей среды.

    Заявление о конфликте интересов. Не объявлено.

    ССЫЛКИ

    1.

    Тонг

    Х

    ,

    Оуян

    S

    ,

    Bi

    Y

    и др.

    Нанофотокаталитические материалы: возможности и проблемы

    .

    Adv Mater

    2012

    ;

    24

    :

    229

    51

    .2.

    Хоффманн

    МР

    ,

    Martin

    ST

    ,

    Choi

    W

    и др.

    Экологические применения полупроводникового фотокатализа

    .

    Chem Rev

    1995

    ;

    95

    :

    69

    96

    .3.

    Хисатоми

    Т

    ,

    Домен

    К.

    Реакционные системы для производства солнечного водорода путем расщепления воды с помощью полупроводниковых фотокатализаторов в виде частиц

    .

    Nat Catal

    2019

    ;

    2

    :

    387

    99

    .4.

    млн лет

    Д

    ,

    Ван

    X

    ,

    Цзя

    Y

    и др.

    Наноматериалы на основе диоксида титана для производства фотокаталитического топлива

    .

    Chem Rev

    2014

    ;

    114

    :

    9987

    10043

    .5.

    Гарсия-Эспарса

    В

    ,

    Шинагава

    Т

    ,

    Оулд-Чих

    С

    и др.

    Нечувствительный к кислороду катализатор выделения водорода, покрытый слоем на основе молибдена, для полного расщепления воды

    .

    Angew Chem Int Ed

    2017

    ;

    56

    :

    5780

    4

    .6.

    Като

    Х

    ,

    Асакура

    К

    ,

    Кудо

    А

    .

    Высокоэффективное расщепление воды на H 2 и O 2 на фотокатализаторах NaTaO 3 , легированных лантаном, с высокой степенью кристалличности и поверхностной наноструктурой

    .

    J Am Chem Soc

    2003

    ;

    125

    :

    3082

    9

    .7.

    Чжан

    Р

    ,

    Ochi

    T

    ,

    Fujitsuka

    M

    и др.

    Топотаксическая эпитаксия SrTiO 3 мезокристаллические суперструктуры анизотропной конструкции для эффективного общего разделения воды

    .

    Angew Chem Int Ed

    2017

    ;

    56

    :

    5299

    303

    .8.

    Маэда

    К

    ,

    Терамура

    К

    ,

    Лу

    Д

    и др.

    Благородный металл/Cr 2 O 3 наночастицы ядро/оболочка в качестве сокатализатора для фотокаталитического общего расщепления воды

    .

    Angew Chem Int Ed

    2006

    ;

    45

    :

    7806

    9

    .9.

    Ши

    Р

    ,

    Ye

    HF

    ,

    Liang

    F

    и др.

    CdS, легированный фосфором, с долгоживущими фотогенерированными электронами для фотокаталитического расщепления воды без жертвенных агентов

    .

    Adv Mater

    2018

    ;

    30

    :

    1705941

    .10.

    Чоудхури

    ФА

    ,

    Trudeau

    ML

    ,

    Guo

    H

    и др.

    Система искусственного фотосинтеза с фотохимическим диодом для высокоэффективного полного расщепления чистой воды без посторонней помощи

    .

    Нац Коммуна

    2018

    ;

    9

    :

    1707

    .11.

    Цзяо

    х

    ,

    Chen

    Z

    ,

    Li

    X

    и др.

    Дефектно-опосредованное разделение электронов и дырок в ZnIn с одной элементарной ячейкой 2 S 4 слои для усиленного солнечного CO 2 восстановление

    .

    J Am Chem Soc

    2017

    ;

    139

    :

    7586

    94

    .12.

    Кюи

    Дж

    ,

    Лю

    T

    ,

    Ци

    Y

    и др.

    Комплексный перовскит Ba (Mg 1/3 Ta 2/3 )O 3-x N y фотокатализатор для окисления и восстановления воды

    .

    J Mater Chem A

    2017

    ;

    5

    :

    18870

    7

    .13.

    Абейсингхе

    Д

    ,

    Скрабалак

    ЮВ.

    К частицам оксинитридов и нитридов металлов регулируемой формы для применения в солнечной энергетике

    .

    ACS Energy Letter

    2018

    ;

    3

    :

    1331

    44

    .14.

    Хисатоми

    Т

    ,

    Катаяма

    C

    ,

    Мория

    Y

    и др.

    Фотокаталитическое выделение кислорода с использованием BaNbO 2 N, модифицированного оксидом кобальта, при фотовозбуждении до 740 нм

    .

    Energ Environ Sci

    2013

    ;

    6

    :

    3595

    9

    .15.

    Маэда

    К

    ,

    Лу

    Д

    ,

    Домен

    К

    .

    Окисление воды при облучении видимым светом на модифицированных фотокатализаторах BaTaO 2 N, промотированных соединениями вольфрама

    .

    Angew Chem Int Ed

    2013

    ;

    52

    :

    6488

    91

    .16.

    Ван

    л

    ,

    Xu

    K

    ,

    Cui

    W

    и др.

    Монослойные эпитаксиальные гетероструктуры для селективного фотокаталитического окисления NO под действием видимого света

    .

    Adv Funct Mater

    2019

    ;

    29

    :

    1808084

    .17.

    Ли

    Р

    ,

    Chen

    X

    ,

    He

    H

    и др.

    Многогранные 30-гранные BiVO 4 микрокристаллы, преимущественно окруженные плоскостями с высоким индексом преломления, способствующие фотокаталитическому водорасщеплению

    .

    Adv Mater

    2018

    ;

    30

    :

    1703119

    .18.

    Цао

    С

    ,

    Shen

    B

    ,

    Тонг

    T

    и др.

    2D/2D гетеропереход ультратонких MXene/Bi 2 WO 6 нанолисты для улучшенного фотокаталитического восстановления CO 2

    .

    Adv Funct Mater

    2018

    ;

    28

    :

    1800136

    .19.

    Чжоу

    Д

    ,

    Zhang

    Y

    ,

    Lin

    M

    и др.

    Монослой Bi 2 WO 6 нанолисты, имитирующие интерфейс гетероперехода с открытыми поверхностями для фотокатализа

    .

    Нац Коммуна

    2015

    ;

    6

    :

    8340

    .20.

    Ли

    Д

    ,

    Лю

    Y

    ,

    Ши

    W

    и др.

    Зависимое от кристаллографической ориентации разделение зарядов BiVO 4 для окисления воды солнечным светом

    .

    ACS Energy Letter

    2019

    ;

    4

    :

    825

    31

    .21.

    Конг

    ХДЖ

    ,

    Вон

    DH

    ,

    Ким

    Дж

    и др.

    g-C, легированный серой 3 N 4 /BiVO 4 композитный фотокатализатор для окисления воды в видимом свете

    .

    Chem Mater

    2016

    ;

    28

    :

    1318

    24

    .22.

    Ван

    В

    ,

    Hisatomi

    T

    ,

    Suzuki

    Y

    и др.

    Листы фотокатализатора в виде частиц на основе слоя углеродного проводника для эффективного разделения чистой воды по Z-схеме при атмосферном давлении

    .

    J Am Chem Soc

    2017

    ;

    139

    :

    1675

    83

    .23.

    Чжао

    Д

    ,

    Zhang

    S

    ,

    Li

    B

    и др.

    Семейство фотокатализаторов, чувствительных к видимому свету, полученных диспергированием октаэдров CrO 6 в гидротальцитной матрице

    .

    Chem Eur J

    2011

    ;

    17

    :

    13175

    81

    .24.

    Сильва

    КГ

    ,

    Bouizi

    Y

    ,

    Fornés

    V

    и др.

    Слоистые двойные гидроксиды как высокоэффективные фотокатализаторы для генерации кислорода в видимом свете из воды

    .

    J Am Chem Soc

    2009

    ;

    131

    :

    13833

    9

    .25.

    Чен

    С

    ,

    Таката

    Т

    ,

    Домен

    К

    .

    Фотокатализаторы в виде частиц для полного расщепления воды

    .

    Nat Rev Mater

    2017

    ;

    2

    :

    17050

    .26.

    Конг

    Д

    ,

    Чжэн

    Y

    ,

    Кобелуш

    М

    и др.

    Последние достижения в области окисления и восстановления воды под действием видимого света в суспензионных системах

    .

    Матер Сегодня

    2018

    ;

    21

    :

    897

    924

    .27.

    Гелдерман

    К

    ,

    Ли

    Л

    ,

    Донн

    С

    .

    Потенциал плоской зоны полупроводника: использование уравнения Мотта–Шоттки

    .

    J Chem Educ

    2007

    ;

    84

    :

    685

    8

    .28.

    Дао

    х

    ,

    Zhao

    Y

    ,

    Mu

    L

    и др.

    Висмут-тантал-оксигалоген: многообещающий фотокатализатор для расщепления солнечной воды

    .

    Adv Energy Mater

    2018

    ;

    8

    :

    1701392

    .29.

    Чжан

    С

    ,

    Чжу

    Ю.

    Синтез квадратных Bi 2 WO 6 нанопластин в качестве высокоактивных фотокатализаторов, управляемых видимым светом

    .

    Chem Mater

    2005

    ;

    17

    :

    3537

    45

    .30.

    Цзян

    Вт

    ,

    Лю

    Y

    ,

    Зонг

    R

    и др.

    Фотокаталитическая генерация водорода на бифункциональных тройных гетероструктурных соединениях In 2 S 3 /MoS 2 /CdS с высокой активностью и стабильностью при облучении видимым светом

    .

    J Mater Chem A

    2015

    ;

    3

    :

    18406

    12

    .31.

    Лю

    Д

    ,

    Wang

    J

    ,

    Bai

    X

    и др.

    Самособирающаяся супрамолекулярная система PDINH для фотокатализа в видимом свете

    .

    Adv Mater

    2016

    ;

    28

    :

    7284

    90

    .32.

    Ван

    Дж

    ,

    Ши

    W

    ,

    Лю

    D

    и др.

    Супрамолекулярные органические нановолокна с высокоэффективными и стабильными характеристиками фотоокисления в видимом свете

    .

    Appl Catal B Environ

    2017

    ;

    202

    :

    289

    97

    .33.

    Ян

    МК

    ,

    Гао

    М

    ,

    Хун

    М

    и др.

    Сбор фотонов в видимом и ближнем ИК диапазонах: прогрессивная разработка катализаторов для очистки окружающей среды с помощью солнечной энергии и производства топлива

    .

    Adv Mater

    2018

    ;

    30

    :

    1802894

    .34.

    Чен

    х

    ,

    Ши

    R

    ,

    Чен

    Q

    и др.

    Трехмерный пористый g-C 3 N 4 для высокоэффективного фотокаталитического полного расщепления воды

    .

    Нано Энергия

    2019

    ;

    59

    :

    644

    50

    .35.

    Че

    Вт

    ,

    Cheng

    W

    ,

    Yao

    T

    и др.

    Быстрый фотоэлектронный перенос в (Cring)-C 3 N 4 плоские гетероструктурные нанолисты для полного расщепления воды

    .

    J Am Chem Soc

    2017

    ;

    139

    :

    3021

    6

    .36.

    Чен

    Р

    ,

    Pang

    S

    ,

    An

    H

    и др.

    Разделение заряда с помощью асимметричного освещения в фотокаталитических частицах Cu 2 О частицах

    .

    Nat Energy

    2018

    ;

    3

    :

    655

    63

    .37.

    Моррис

    МР

    ,

    Pendlebury

    SR

    ,

    Hong

    J

    и др.

    Влияние внутренних электрических полей на динамику носителей заряда в сегнетоэлектрическом материале для преобразования солнечной энергии

    .

    Adv Mater

    2016

    ;

    28

    :

    7123

    8

    .38.

    Ли

    Дж

    ,

    Cai

    L

    ,

    Shang

    J

    и др.

    Гигантское усиление внутреннего электрического поля, ускоряющее разделение объемного заряда для фотокатализа

    .

    Adv Mater

    2016

    ;

    28

    :

    4059

    64

    .39.

    Цзян

    Дж

    ,

    Чжао

    К

    ,

    Сяо

    X

    и др.

    Синтез и зависящая от фасетки фотореактивность монокристаллических нанолистов BiOCl

    .

    J Am Chem Soc

    2012

    ;

    134

    :

    4473

    6

    .40.

    Чжу

    Дж

    ,

    Pang

    S

    ,

    Dittrich

    T

    и др.

    Визуализация электрических полей, выровненных нано-сокатализатором, на отдельных частицах фотокатализатора

    .

    Нано Летт

    2017

    ;

    17

    :

    6735

    41

    .41.

    Чжу

    Дж

    ,

    Вентилятор

    F

    ,

    Чен

    R

    и др.

    Прямая визуализация сильно анизотропного фотогенерированного разделения зарядов на разных гранях одного фотокатализатора BiVO 4

    .

    Angew Chem Int Ed

    2015

    ;

    54

    :

    9111

    4

    .42.

    Чен

    Р

    ,

    Вентилятор

    F

    ,

    Дитрих

    T

    и др.

    Визуализация фотогенерированных носителей заряда на поверхностях и границах раздела фотокатализаторов с помощью поверхностной фотоэлектрической микроскопии

    .

    Chem Soc Rev

    2018

    ;

    47

    :

    8238

    62

    .43.

    Каната-Кито

    Т

    ,

    Мацунага

    M

    ,

    Такакура

    H

    и др.

    Характеристика фотоотражения встроенного потенциала в выращенной с помощью МЛЭ поверхности GaAs

    .

    Proc SPIE

    1990

    ;

    1286

    :

    56

    66

    .44.

    Лефевр

    Р

    ,

    Allègre

    J

    ,

    Gil

    B

    и др.

    Фотолюминесценция с временным разрешением как зонд внутренних электрических полей в квантовых ямах GaN-(GaAl)N

    .

    Phys Rev B

    1999

    ;

    59

    :

    15363

    7

    .45.

    Чжан

    З

    ,

    Zhu

    Y

    ,

    Chen

    X

    и др.

    Не содержащий металлов порфириновый супрамолекулярный фотокатализатор полного спектра для двойных функций высокоэффективного выделения водорода и кислорода

    .

    Adv Mater

    2019

    ;

    31

    :

    1806626

    .

    © Автор(ы), 2019 г. Опубликовано издательством Oxford University Press от имени China Science Publishing & Media Ltd. licenses/by/4.0/), что разрешает неограниченное повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.