Это продолжение статьи, начало - на предыдущих страницах данного раздела.

Кластерная структура воды

По мнению некоторых исследователей (Ю. А. Колясников) водородные связи в этих тетрамерах могут образовывать как правотак и левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы кварца бывают правои лево-вращательной кристаллической форм (рис. 26). Так как каждый такой тетрамер воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи, то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК. Поскольку внешних связей всего четыре, а внутренних - в 3 раза больше, то это позволяет тетрамерам в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные тепловыми колебаниями внешние водородные связи. Согласно этому предположению это и обуславливает текучесть воды.

 

Рис. 26. Кристаллическая структура кварца (слева) и тетраэдрическая структура воды (справа).

Предполагаемая структура воды могла быть обусловлена ее древней реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, из недр которой когда-то появилась вода на Земле. Как маленький кристаллик соли заставляет окружающий его раствор кристаллизоваться в подобные ему кристаллы, так кварц мог инициировать молекулы воды выстраиваться в тетраэдрические структуры, которые, энергетически наиболее выгодны.

Предложены теоретические модели, объясняющие структуру и свойства воды. Первые модели воды стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много фактических данных об аномалиях воды. Во второй половине XX века Г. Немети и Х. Шаран предложили кластерную модель воды. В ней вода представлена в виде смеси кластеров связанных водородными связями молекул воды, которые плавали среди свободных несвязанных молекул воды (рис. 27).

Рис. 27. Модель “мерцающих” кластеров.

Сейчас наукой установлено, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов молекул воды (кластеров), способных воспринимать, хранить и передавать самую различную информацию о внутренних и внешних воздействиях.

 

Рис. 28.  Водородные связи между молекулами воды

Непосредственной причиной образования водяных кластеров являются водородные связи между молекулами воды (рис. 28). Они возникают между ядрами водорода одних молекул и «сгущениями» электронной плотности у ядер кислорода других молекул воды. Водородные связи легко разрушаются под действием тепловых колебаний молекул и быстро восстанавливаются вновь, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают структурные элементы  –  кластеры воды. Возникновение и распад кластеров можно выразить схемой:

x·H2O↔ (H2O)x

Благодаря Рамановой электроскопии в 2005 г. коллектив учëных из университета Беркли, США – Гейслер, Сейкали и Смит, показали, что связи водорода между молекулами воды находятся в постоянном движении, постоянно разрываются и меняются (рис. 29). При каждом значении температуры в воде устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в кластерах. При этом на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ. Этим и объясняется аномально высокая теплоемкость воды по сравнению с расплавами других веществ, не образующих водородных связей. При нагревании таких расплавов энергия расходуется только на сообщение тепловых движений их атомам или молекулам. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. На правильность такой точки зрения указывает и то обстоятельство, что удельная теплоемкость водяного пара при 100°С практически совпадает с удельной теплоемкостью льда при 0°С. 

Эти результаты коррелируют с квантово-механическими анализами спектра воды д-ра Игнатова. При этих анализах относительная стабильность кластеров зависит от внешних факторов. Вода отличается по своей структуре, и сходство в спектре может наблюдаться при определëнных внешних условиях (Игнатов, 2005). Вода изменяет положение своих молекул в зависимости от энергии связей водорода. Анализы и результаты, достигнутые при помощи аппаратуры на наличие «стационарных» кластеров, трудно могут быть восприняты. Сами кластерные формации динамичны, и «запоминание» информации зависит от целого ряда факторов. Первые результаты и анализы с помощью прибора проф. Антонова были получены в 1997 г.

 

Рис. 29. Результат Гейслера, Сейкали и Смита, полученный в результате Рамановой электроскопии при анализе движения молекул воды, Berkeley University, USA

Этот результат коррелирует с квантово-механическими анализами д-ра Игнатова динамичного движения молекул воды в их попытке найти относительно стабильное состояние кластеров из порядка нанометров.

 www.medicalbiophysics.dir.bg/ru/water_memory.html

Вода, таким образом, – это громадный полимер множества молекул воды, связанных друг с другом водородными связями, которые постоянно рвутся и образуются вновь, что и объясняет многие аномальные свойства воды. Но классический полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер (Isaacs E. D., et al.,1999). Даже частично ковалентный характер водородной связи “разрешает”, по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в полимерные устойчивые ассоциаты.

В 1993 году американский химик Кен Джордан рассчитали варианты устойчивых “квантов воды”, состоящие из 6 молекул воды (рис. 30) (Tsai & Jordan, 1993). Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Интересной особенностью этой модели является то, что из нее следует, что свободно растущие кристаллы воды в снежинках должны обладать 6-лучевой симметрией.

 

Рис. 30. Варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул (Tsai & Jordan, 1993).

В 1993 году группа исследователей из Калифорнийского университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р.Дж.Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а затем и гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые «кольца». 

 

В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона методом рентгеноструктурного анализа с помощью сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей образовывать структуры - "истинные кирпичики" воды, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Интерпретируя полученные экспериментальные данные, исследователи считают эти ассоциаты довольно долгоживущими элементами структуры воды.

Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать (рис. 31).

 

Рис. 31. Возможные кластеры воды.

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:

 

Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекул воды оказались более стабильными.

 

В 1998 году российский исследователь воды С.В. Зенин первым предложил, что кластеры воды представляют собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 молекул воды, взаимодействующих друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников).

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра. 16 квантов воды, в свою очередь образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей.

Вода по мнению С. Зенина на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы воды. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Кластеры воды несут в себе информацию крайне высокой плотности. Порядковое число структурных элементов воды воды, по-видимому, так же высоко, как и порядковое число кристаллов.

Таким образом, водная среда представляет собой иерархически организованный жидкий кристалл. Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора среды или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Такая модель позволяет Зенину объяснить "память воды" и ее информационные свойства (Зенин, 1997).

См. ссылку: /article/learn/