Вода — это чудо. При всем пафосе подобного утверждения, его нельзя назвать столь уж большим преувеличением. Вода — ключевой элемент жизни на Земле. Свойства ее удивительны на фоне большинства аналогичных соединений. Достаточно вспомнить такую мелочь, что в твердой форме льда она имеет меньшую плотность, чем в жидкой. Это, кстати, позволяет водоемам замерзать с поверхности, оставляя сложным организмам возможность выжить всю зиму под ледяной коркой. Большинство необычных свойств воды связаны со способностью ее молекул образовывать водородные связи, соединяя молекулы в жидкости слабыми, но многочисленными взаимодействиями.
Свежая вода: Из нанотрубки
Вода, заполняющая полость углеродной нанотрубки, переходит в качественно иное состояние уже при комнатной температуре.
Ну а на днях обнаружилось, что вода — еще более странное соединение, чем можно было подумать. Джордж Рейтер (George Reiter) и его команда показали, что в особых случаях она может переходить в удивительную форму «квантовой воды».
Чтобы разобраться с тем, что это за форма, напомним, что водородная связь образуется между кислородом одной молекулы воды и водородами двух соседних. Электроны, «оттянутые» кислородом у своих атомов водорода, частично притягиваются и водородами соседних молекул. Они могут с некоторой свободой перемещаться между участниками такого взаимодействия. А если найти способ выстроить длинные цепочки связанных водородной связью молекул воды, электроны смогут даже перемещаться по ним на заметные расстояния. Какие же свойства приобретет такая вода?
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Пытаясь выяснить это, Рейтер с коллегами заполнили водой крохотное полое пространство внутри углеродной нанотрубки и исследовали ее характеристики, бомбардируя интенсивным пучком нейтронов. Параметры отраженных частиц позволили ученым охарактеризовать поведение протонов в молекулах воды внутри нанотрубок. Оказалось, что даже при той же комнатной температуре поведение это разительно отличается от привычного для воды. «Различия так велики, — говорят авторы работы, — что мы вправе говорить о том, что заключенная в нанотрубках вода переходит в качественно иное "квантовое" состояние», — пишут авторы. Они намерены продолжить исследование свойств воды в этой форме.
Случай с заполненными водой нанотрубками не столь оторван от реальности, как может показаться. На самом деле, они служат отличной моделью того, как все обстоит в ряде живых систем — например, в ионных каналах клеточных мембран. Уже давно показано, что поток, проходящий сквозь эти каналы, на несколько порядков больше, чем позволяет теория — возможно, виной тому именно необычное состояние воды, до сих пор неизвестное.
Рейтер поясняет, что такое состояние должно появляться только в том случае, когда воду окружают нейтральные, не несущие зарядов молекулы — такие, как углерод нанотрубок. Именно то, что большинство экспериментальных установок, в которых ранее проводились подобные измерения, имеют стенки из заряженных молекул, до сих пор «квантовое» состояние воды ни разу не обнаруживалось.
О некоторых других странных особенностях обычной воды читайте: «Жизненно важные детали».
По публикации MIT Technology Review / The Physics arXiv Blog