СТРУКТУРА ВОДЫ3 июля 2008 г.

Вода оказалась смесью двух жидкостей — и это меняет всё

Рёнтген предполагал, что вода состоит из двух структур, но лишь рентгеновская спектроскопия показала: хаотичная фаза, а не льдоподобная решётка, определяет её аномальные свойства. Теперь учёным предстоит разобраться, как эти структуры уживаются и меняются.

Структура воды Рентгеновская спектроскопия Молекулярная физика История науки Аномальные свойства

Вода — самая привычная и одновременно самая загадочная жидкость на планете. Мы видим её каждый день, но то, что происходит на молекулярном уровне, до сих пор ставит учёных в тупик. Ещё в конце XIX века немецкий физик Вильгельм Конрад Рёнтген, тот самый, что открыл Х-лучи, предположил: жидкая вода неоднородна. По его гипотезе, она состоит из двух разных структур — одна напоминает четырёхгранную решётку льда, а во второй молекулы расположены более свободно, образуя нечто вроде аморфной сетки. Больше ста лет эта идея оставалась скорее догадкой, но теперь, благодаря новейшим методам, она получила весомое подтверждение.

Две структуры вместо одной

Международная группа исследователей из США, Японии и Швеции провела эксперимент с использованием рентгеновской спектроскопии — техники, позволяющей заглянуть в самое сердце молекулярных взаимодействий. Их целью было получить детальное изображение того, как ведут себя молекулы воды в жидком состоянии. Результаты оказались неожиданными: традиционные модели, описывающие воду как единую непрерывную сетку водородных связей, явно не отражают всей картины.

Спектроскопия показала, что вода действительно содержит четырёхгранные слои, похожие на структуру льда. Но они не доминируют. Вместо этого на первый план выходит вторая, менее изученная структура — с более хаотичным расположением молекул. Именно она, судя по данным, определяет многие аномальные свойства воды, которые так долго озадачивали науку.

Почему это важно

Открытие не просто подтверждает старую гипотезу Рёнтгена — оно заставляет пересмотреть фундаментальные представления. Если вода состоит из двух взаимопроникающих, но различных по организации фаз, то её поведение в химических реакциях, биологических системах и даже климатических процессах может объясняться совсем иначе. Например, знаменитая способность воды расширяться при замерзании или её высокая теплоёмкость могут быть напрямую связаны с этим дуализмом.

Исследование, опубликованное в 2008 году, стало важным шагом, но вопросов по-прежнему больше, чем ответов. Как именно взаимодействуют две структуры? Меняется ли их соотношение при изменении температуры или давления? И что это значит для наших попыток моделировать водные растворы? Пока ясно одно: вода гораздо сложнее, чем мы думали, и её секреты ещё только начинают раскрываться.