Продолжается изучение структуры воды

Игорь Иванов

Молекулы воды могут объединяться в небольшие группы — кластеры. Их жизнь быстротечна, и потому они с трудом поддаются изучению. Только недавно выяснилось, что водные кластеры обладают большими электрическими дипольными моментами (изображение с сайта www.ganil.fr)

Тонкий эксперимент однозначно доказал, что кластеры воды обладают большими электрическими дипольными моментами. Попутно выяснилось, что отдельные кластеры не замерзают даже при минус 150 градусах Цельсия. Структура воды становится еще более интересной, чем считалось ранее.

Несмотря на простую химическую формулу, вода — вещество с очень нетривиальными свойствами. Причина этого в том, что молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. В жидком состоянии вода представляет собой не просто мешанину молекул, а сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров. Каждый отдельный кластер живет очень небольшое время, однако именно поведение кластеров влияет на структуру воды.

Свойства и динамика водных кластеров (H₂0)_n — предмет активных исследований. В отличие от металлических кластеров с их фиксированной пространственной структурой, водные кластеры размером от нескольких до нескольких десятков молекул даже при температурах ниже комнатной остаются жидкими: у таких кластеров есть много равноправных форм, между которыми они непрерывно перескакивают.

Такая особенность водных кластеров отражается и на их электрических свойствах. Как известно уже более полувека, молекула воды — полярна. Положительные и отрицательные заряды в ней слегка смещены друг относительно друга, и в результате она обладает довольно большим дипольным моментом и создает вокруг себя электрическое поле. Если взять очень много молекул (например, стакан воды), то дипольные моменты отдельных молекул скомпенсируются, и суммарное электрическое поле исчезнет, в чём нас убеждает и повседневный опыт. При каком именно числе молекул происходит этот переход? Обладают ли сами кластеры дипольными моментами?

До сих пор четких ответов на эти вопросы не было. Экспериментальные данные, полученные за последние 20 лет, противоречили друг другу. Главное препятствие заключалось в том, что во всех этих экспериментах изучались кластеры в толще воды, в их непосредственной «среде обитания». «Вытащить» же отдельный кластер и изучить его электрические свойства до сих пор не удавалось.

Эксперименты, проведенные исследовательской группой из Университета Южной Калифорнии, положили конец разногласиям. Их результаты, опубликованные в недавней статье R. Moro et al., Physical Review Letters, 97, 123401 (18 September 2006), доказали, что кластеры, содержащие от 3 до 18 молекул воды, тоже обладают большим дипольным моментом.

Впечатляет эксперимент, позволивший прийти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узкое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум. Отверстие имело форму миниатюрного реактивного сопла, и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения, избегающая нагрева, позволяет получить пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров. Струйка пара проходила через камеру метровой длины с неоднородным электрическим полем, слегка отклонялась в электрическом поле, а затем попадала в масс-спектрограф, который расщеплял ее на несколько отдельных пучков в соответствии с количеством молекул в кластере. По отклонению струйки в электрическом поле и измерялся дипольный момент кластеров.

Непосредственное измерение дипольного момента кластеров разного размера уже само по себе имеет большое значение для понимания структуры воды. Действительно, получается, что когда кластеры воды «складываются» в сплошную среду, они чувствуют друг друга не только через непосредственный контакт, но и через электрическое взаимодействие диполей. Однако эксперимент калифорнийских физиков позволил определить не только это.

Во-первых, данные свидетельствуют о том, что крупные кластеры (содержащие больше восьми молекул) электрически более упорядоченны, чем маленькие. Этот любопытный переход никем не был предсказан, и как его интерпретировать — пока не известно. Во-вторых, экспериментаторам удалось провести опыты в двух разных температурных режимах: когда температура внутри кластеров была около 200 К (–70°C) и около 120 К (–150°C). Некоторые теоретические расчеты предсказывали, что при таких температурах водные кластеры должны уже замерзнуть, что сильно изменило бы зависимость дипольного момента от количества молекул. В эксперименте, однако, подобное изменение свойств не обнаружилось, из-за чего приходится делать вывод, что и при таких температурах кластеры остаются жидкими.

Это исследование лишний раз доказало, что система, состоящая из очень простых элементов, — например, вода — может обладать очень нетривиальными свойствами. Для детального понимания структуры и динамики воды требуются новые эксперименты и новые теоретические исследования. Остается лишь сожалеть, что именно нетривиальные свойства воды стали пищей для псевдонаучных спекуляций, доходящих порой до абсурда (см. полемические статьи 1 и 2).