Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.980 RSS
←   Октябрь 2006   →
 1
 2
02.10.2006
08:40:24
16:20:40
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
13.10.2006
12:57:40
17:56:36
14
15
16
17
18
18.10.2006
17:43:11
20:08:22
19
20
21
22
23
23.10.2006
15:26:53
15:39:33
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.980 подписчиков
+2 за неделю
←   Все выпуски   →

Продолжается изучение структуры воды


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Продолжается изучение структуры воды

09.10.2006

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)
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 (–70C) и около 120 К (–150C). 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).

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

09.10 Будут ли расшифрованы генетические основы разума?

Сравнение геномов человека, шимпанзе и других млекопитающих позволяет выявить всё больше генетических особенностей, отличающих нас от животных. Однако функциональное значение этих отличий пока не установлено. То и дело появляющиеся в СМИ сообщения об обнаружении очередного «ключевого гена, сделавшего нас людьми», явно опережают события.

06.10 Джон Мазер: «Участники "Реликта" получили много ценных результатов, но наши оказались лучше»

Нобелевская премия по физике 2006 года была присуждена за достижения в исследовании космического микроволнового фонового излучения. Об истории этих исследований и их научном значении Алексею Левину рассказал один из двух новоиспеченных Нобелевских лауреатов по физике — Джон Мазер из Центра космических полетов имени Годдарда.

06.10 Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого

Содержание в атмосфере метана — одного из важнейших парниковых газов — на протяжении последних 200 лет росло очень быстро, но в конце ХХ века этот рост почему-то замедлился. Большая группа специалистов разных стран пришла к выводу, что это явление временное, вызванное чисто случайным стечением обстоятельств — как природных, так и связанных с деятельностью человека.

04.10 Объявлены лауреаты трех естественнонаучных Нобелевских премий 2006 года

Для авторов научных новостей начало октября — совсем особенное время. По традиции в первые дни этого месяца в Стокгольме объявляются имена очередных лауреатов Нобелевских премий по физиологии и медицине, по физике и по химии — именно в таком порядке. 2006 год, разумеется, не составил исключения.

03.10 Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации

Микроб Deinococcus radiodurans способен переносить огромные дозы радиации. Как ему удается «починить» свои четыре хромосомы даже после того, как ионизирующее излучение разорвет их на сотни обрывков, оставалось загадкой. Французские и хорватские микробиологи наконец сумели расшифровать принцип работы репарационной системы дейнококка.

03.10 Розовая смерть: в чем причина массовой гибели восточноафриканских фламинго

В последние годы на восточноафриканских озерах всё чаще регистрируется массовая гибель малого фламинго. Эти самые мелкие представители фламинго питаются исключительно синезелеными водорослями (по-научному, цианобактериями). Экологические изменения могут вызывать развитие токсигенных штаммов цианобактерий, что может приводить к гибели этих примечательных птиц.

02.10 Мухи устают от общения

Эксперименты на дрозофилах показали, что длительность сна плодовой мушки зависит от интенсивности «общения» с собратьями: чем больше социальная группа, тем дольше последующий сон. Это же относится и к глухим мушкам. Зато у мушек, лишенных зрения и обоняния, длительность сна не изменяется, каким бы массовым ни было окружение.

29.09 Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ

Физики из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета существенно повысили эффективность лазерно-плазменного ускорения электронов. Эти исследования приближают создание нового поколения мощных и в то же время компактных электронных ускорителей высоких энергий, разгоняющих эти частицы не в глубоком вакууме, а в плазме.

28.09 Юные австралопитеки были добычей хищных птиц

Южноафриканский антрополог Ли Бергер, переисследовав найденный в 1924 году череп знаменитого «ребенка из Таунгса», пришел к выводу, что юный австралопитек стал жертвой крупной хищной птицы. Об этом свидетельствуют характерные повреждения глазниц. Ранее считалось, что убийцей «Таунгс-бэби» был крупный хищник из семейства кошачьих.
В избранное