Мокрые загадки

Аномальные свойства H2O объясняются её сложной и до конца не понятой структурой. Но недавние исследования, вероятно, заставят переписать учебники. Оказывается, свойства воды во многом определяются её поведением на наномасштабах.

Вода в очень большой степени определяет облик нашей планеты и характер жизни на ней. Достаточно вспомнить, что аномально высокая теплоёмкость воды сглаживает колебания температуры океанов (а вместе с ними и суши), тогда как необычайно высокая поверхностная энергия позволяет деревьям поднимать влагу на большую высоту капиллярными силами. Плотность воды, вместо того чтобы уменьшаться с ростом температуры, имеет максимум при четырех градусах Цельсия. Благодаря этому водоемы замерзают с поверхности, а лед остается плавать.

Эти и многие другие физические аномалии H2O объясняются её сложной и до конца не понятой структурой. Молекулы воды, имеющие форму тупого угла, сильно поляризованы, что приводит к тесным и необычным связям соседних молекул. Достаточно сказать, что у льда известно несколько кристаллических модификаций с разной структурой, и это не считая экзотического аморфного льда.

О строении воды учёные спорят уже более века. И эти споры позволяют шарлатанам спекулировать на "заряженной" или "структурированной" воде, рассуждать о воде с "памятью", обещая быстрое излечение от всех болезней. Порой даже серьёзные учёные попадаются на эту удочку.

Зато хорошо известно, как устроен обычный лёд. В нём молекулы воды организованы в плотную решётку из тетраэдров, в которых каждая молекула связана с четырьмя соседними. При плавлении кристаллов или замерзании жидкостей взаимное расположение соседних молекул, как правило, остается практически неизменным. В жидкости нарушается лишь так называемый дальний порядок - далекие друг от друга молекулы расположены беспорядочно за счет того, что хаотические смещения соседних молекул постепенно накапливаются с увеличением расстояния. Большинство химиков считало, что примерно так же ведет себя и вода: структура тетраэдров там приблизительно сохраняется, хотя некоторые связи между молекулами рвутся, и тем сильнее, чем выше температура.

Однако недавние исследования большой международной команды учёных, вероятно, заставят переписать учебники. Оказывается, свойства воды во многом определяются её поведением на наномасштабах. Структуру воды при нормальных условиях и вплоть до кипения изучали с помощью мощных рентгеновских лучей, сгенерированных на синхротронах в Стэнфордском центре синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource) и комплексе SPring8 в Японии. Выяснилось, что независимо от температуры в воде одновременно существуют как бы две перемешанные и постоянно превращающиеся друг в друга структуры. Одна - с похожим на лёд менее плотным строением - образует небольшие кластеры размером около нанометра примерно из сотни молекул, выстроенных в тетраэдры. Кластеры соседствуют с другой, более плотной и сильно разупорядоченной структурой. Кластеры продолжают существовать вплоть до температуры кипения - по мере роста температуры их число уменьшается, а беспорядок в неупорядоченной части воды возрастает.

Такая сложная структура H2O помогает объяснить её странные свойства. Тетраэдральная организация молекул в кластерах почти не меняется с колебаниями температуры, тогда как неупорядоченные и более плотные области по мере роста температуры становятся менее плотными и ещё более неупорядоченными. На "плавление" кластеров требуется значительная энергия, что объясняет высокую теплоёмкость воды. А сильные водородные связи между молекулами являются причиной её сравнительно большой поверхностной энергии.

Любопытно, что открытая учёными флуктуирующая кластерная наноструктура воды плохо поддается компьютерному моделированию методами молекулярной динамики. А такие прямые вычисления поведения каждой молекулы лежат в основе многих практических расчётов - например, свойств мембран топливных элементов. Теперь придётся покорпеть над адекватным описанием взаимодействия молекул воды между собой и с другими молекулами.

А пока фундаментальная наука разбирается с тонкостями наноструктуры воды, учёные из Гонконгского политехнического университета работают над более утилитарными задачами. Ежегодно миллионы людей страдают от ожогов горячими жидкостями. В последние годы было предложено несколько тканей и покрытий, которые могли бы решить эту проблему, копируя водоотталкивающие свойства листьев лотоса. Те имеют гидрофобный воскоподобный слой и пупырышки, которые удерживают капли на расстоянии от поверхности.

Применяемые сегодня водоотталкивающие материалы рассчитаны на холодные жидкости, и от горячей воды с температурой выше 50 градусов они защитить не могут. Поверхностное натяжение воды по мере нагрева уменьшается, а защитные покрытия плавятся и теряют гидрофобные свойства. Проникая во впадины рифленой поверхности, кипяток быстро её нагревает, и ожог получается только сильнее. Чтобы решить эту проблему, учёные предложили новую ткань с водоотталкивающим слоем из покрытых тефлоном углеродных нанотрубок. Она прекрасно справляется с защитой от горячей воды, и остается поработать только над тем, чтобы сделать ткань более мягкой.

Из еженедельника "Компьютерра" № 31 (795)