Свежая вода: Из нанотрубки
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.
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?
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
