Тетраэдры могут объяснить уникальность воды

Ученые из Токийского университета используют модель двух состояний, основанную на формировании тетраэдрических структур, для объяснения аномальных свойств воды и удивительного перехода воды в жидкое состояние.

Исследователи из Института промышленных наук при Токийском университете проанализировали экспериментальные данные, чтобы исследовать возможность того, что переохлажденная вода имеет фазовый переход жидкость-жидкость между неупорядоченными и тетраэдрически структурированными формами. Они нашли доказательства критической точки, основанной на кооперативном образовании тетраэдров, и показали ее второстепенную роль в аномалиях воды. Эта работа показывает, что особые качества воды, которые необходимы для жизни, в основном происходят из свойства двух состояний.

Жидкая вода незаменима для жизни, какой мы ее знаем, но многие ее свойства не соответствуют поведению других жидкостей. Некоторые из этих аномалий, например максимальная плотность воды при 4 °C и ее большая теплоемкость, имеют важные последствия для живых организмов. Происхождение этих особенностей вызвало ожесточенные дискуссии в научном сообществе со времен Рентгена.

Теперь исследователи из Токийского университета использовали модель двух состояний, которая постулирует динамическое сосуществование двух типов молекулярных структур в жидкой воде. Это знакомая неупорядоченная структура нормальной жидкости и локально предпочтительная тетраэдрическая структура. Как и во многих других фазовых переходах, может существовать «критическая точка», в которой корреляция между тетраэдрами принимает степенную форму, что означает, что больше не будет никакого «типичного» масштаба длины.

Используя компьютерное моделирование молекул воды, а также всесторонний анализ экспериментальных структурных, термодинамических и динамических данных, включая измерения рассеяния рентгеновских лучей, плотности, сжимаемости и вязкости, исследователи смогли сузить область, где должна быть критическая точка. если он существует.

«Если в этих условиях образование тетраэдрических структур в жидкой воде происходит совместно, то возможен фазовый переход жидкость-жидкость с критической точкой», — говорит ведущий автор исследования Руи Ши.

Команда показала, что это происходит при температуре -90 °C и давлении около 1700 атмосфер. Эксперименты в этом диапазоне чрезвычайно трудны: поскольку температура воды намного ниже нормальной точки замерзания, кристаллы льда могут быстро образовываться. Однако образцы могут оставаться жидкими в метастабильном «переохлажденном» состоянии при таких очень высоких давлениях.

«Мы увидели доказательства того, что критическая точка реальна, но ее влияние почти несущественно в экспериментально доступной области жидкой воды, потому что она слишком далеко от критической точки. Это означает, что аномалии воды происходят из-за наличия двух состояний, а не из-за критичности», — говорит старший автор Хадзиме Танака. Ученые ожидают, что этот проект приведет к объединению длительных дебатов о происхождении аномалий воды и дополнительных экспериментальных исследований для доступа ко второй критической точке воды.

Источник

Метки: вода