Вячеслав Мещеряков
| Вид материала | Документы |
- Вячеслав Мещеряков Тренинг мозга Действенный метод трансформации сознания Издательство, 3268.38kb.
- Мещеряков Борис Гурьевич, кафедра психологии Венгер Александр Леонидович, кафедра психологии, 312.32kb.
- Вячеслав Леонидович Кондратьев сказал: у каждого писателя должна быть сверхзадача, 116.75kb.
- Учитель Виноградов Вячеслав Владимирович Учитель моу ладожская оош виноградов Вячеслав, 40.25kb.
- Сизихина Елена Денисовна Бурмагин Андрей Валентинович Вовченко Вячеслав Евгеньевич, 119.56kb.
- Учебно-методического Проректор по заочному, очно- управления заочному и дополнительному, 232.13kb.
- Ю. В. Мещеряков Состав аппаратного обеспечения персонального компьютера, характеристика, 542.96kb.
- Рябов Вячеслав Юрьевич, эксперт компании Businesscomputersgroup (Россия) Аннотация, 69.61kb.
- Москва Издательство «Флинта», 5712.01kb.
- Вячеслав Леонидович Глазычев, президент Фонда «индем» Георгий Александрович Сатаров, 1459.02kb.
Вячеслав Мещеряков
Что мы знаем о воде
1. Что мы знаем о воде?
Исследования структуры воды начались еще в середине 19-ого века, но многие поколения ученых так и не смогли ее разгадать. Кажется, что ответ можно найти в школьном учебнике: водородные связи, слабая поляризация каждой молекулы, имеющей форму буквы V и так далее, и тому подобное. Но, несмотря на кажущуюся простоту, до сих пор в точности не выяснено, что происходит с молекулами воды, когда она находится в жидком состоянии.
ссылка скрыта - самое обычное, самое распространенное и самое необходимое вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной.
Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).
Причину аномальности воды учёные видят в необычном внутреннем её строении, в том, как молекулы воды взаимодействуют между собой.
Согласно обычным, затверженным еще со школьной скамьи представлениям, вода в нормальном состоянии представляет собой однородную среду, не способную формировать какие-либо долговременные структуры. То есть это обычная механическая смесь молекул, состоящих из атома кислорода и двух атомов водорода.
В соответствии с этими самыми первыми представлениями о воде водородные связи между ближайшими молекулами, которые и дают водяному льду его структуру – в виде тетраэдров, - полностью разрушаются при переходе в жидкое состояние, позволяя молекулам свободно перемещаться. Это так называемая модель с двумя состояниями.
Существует вторая версия воды, заключающаяся в том, что между молекулами воды в жидком виде все-таки могут устанавливаться водородные связи. Однако считалось, что они предельно эфемерны, виртуальны и существуют лишь на протяжении кратких мгновений 10-12 _ 10-14 сек. Это – модель континуума, говорящая о сохранении водородных связей между соседними молекулами в жидкой воде, но связей - постоянно меняющихся и искажающихся.
Э
ти две конкурирующие гипотезы о строении воды, а также множество их вариаций, лежат в основе того многообразия мнений, часто противоречащих друг другу, которое характерно для современного этапа науки о воде. Поэтому мы до сих пор не можем понять, например, почему свойства талой воды, полученной плавлением льда, через сутки претерпевают разительные изменения, становятся другими? И почему только что полученная из льда вода является биологически активной в большей мере, чем любая другая вода?
Многие учёные, например, сегодня склонны верить, что эти виртуальные водородные связи «работают» не бессистемно, а могут образовывать крупномасштабные, но короткоживущие структуры, главным образом цепочки и кольца. Именно за счёт того, что водородные связи существуют очень малое время до момента своего распада, вода является текучей.
Другие же настаивают на том, что сверхмолекулярные образования в воде могут существовать весьма длительное время, причём они могут быть в виде больших объёмных структур. То есть океан представляет собой по сути дела одну гигантскую молекулу!
Эта вторая точка зрения на сверхмолекулярное строение воды весьма привлекательна. Если это действительно так, то это может объяснить множество загадочных свойств воды. Например, так называемый гомеопатический эффект, когда чрезвычайно разбавленные водные растворы какого-либо вещества, вплоть до такой степени, что в растворе практически не остаётся ни молекулы этого вещества, могут отличаться своими физическими и химическими свойствами от свойств воды, в которой этого вещества изначально никогда не было. По сути дела, разговор здесь ведётся о некоей «памяти» воды. Например, она может «помнить» полезные или вредные для человека вещества, с которыми она когда-то контактировала.
Казалось бы, ссылка скрыта о живой и мёртвой воде могут найти здесь серьёзное научное обоснование.
Однако и среди приверженцев модели устойчивого сверхмолекулярного строения воды существуют разные мнения по поводу того, какие это могут быть структуры и как осуществляется «запоминание» водой своего прошлого состояния или бывших с ней в контакте химических веществ.
2. Противоречивые результаты исследований.
В 1959 году Нобелевским лауреатом, известным биохимиком Полингом была предложена так называемая клатратная модель структуры воды. Клатраты, на русском языке их ещё называют ассоциатами, - это объединения молекул воды в объёмные многогранники, внутренняя полость которых сравнима по величине как с молекулами воды, так и с молекулами некоторых газообразных веществ, например, метана.
Кроме этих, объединившихся в многограннике молекул воды в ней находятся и одиночные молекулы, которые могут либо входить во внутреннюю полость клатратов или находиться в пространстве между ними. Некоторые учёные, например, новосибирский профессор Ю.И. Наберухин, считают, что от того, какое количество одиночных молекул будет находиться в том или ином состоянии, зависят свойства воды - ее вязкость, удельный вес и способность растворять другие вещества, а также взаимодействовать с молекулами, входящими в состав живых организмов.
Результаты исследования структуры воды, проводимые ведущими лабораториями мира, подтверждают наличие в ней крупномасштабной структуры из ансамблей молекул, однако существенно расходятся в ряде важных аспектов проблемы.
Новое исследование 2006г., проведенное учеными национальной лаборатории Лоуренса в Беркли министерства энергетики США, во многом подтверждает уже высказанное российскими учеными предположение о наличии в воде сверхмолекулярной структуры и о ее особенностях, однако противоречит ранее полученным учеными из Стэнфорда и других институтов данным.
Ещё 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.
По мнению д-ра Хэд-Гордон, полученные с помощью источника ALS результаты свидетельствуют о том, что наблюдаемая зарядовая асимметрия в плотности электронов в воде связана с флуктуациями фемтосекундного порядка, то есть существующих длительное время ансамблей молекул в воде не существует.
Структурные элементы воды (по данным Stanford Synchrotron Radiation Laboratory and Stockholm University).
Другая исследовательская группа Нильссона из синхротронной лаборатории всё того же Стенфордского университета, интерпретируя полученные экспериментальные данные как наличие структурных цепочек и колец, считает их долгоживущими элементами структуры.
Доктор Нильссон и его коллеги считают, кроме того, что молекулы воды не имеют форму тетраэдров – маленьких пирамид с основаниями в форме треугольников: вода по структуре скорее напоминает океан, состоящий из колец и цепочек, где большинство молекул прочно связаны друг с другом.
В октябре 2005 года была завершена работа одной из групп американских физиков в американской национальной лаборатории в Беркли. Учёные подвели итоги многолетних трудов, экспериментов и вычислений, которые также венчает недавнее "просвечивание" жидкой воды при помощи так называемой Раман-спектроскопии (широко применяемой для анализа веществ).
Исследователи показали, что наблюдаемые особенности результатов этой спектроскопии говорят в пользу правоты модели континуума. То есть — при переходе изо льда в жидкость вода не разрывает водородные связи между соседними молекулами. Но взамен они становятся изменчивыми и подвижными, виртуальными.
В том смысле, что каждая такая связь в любой момент времени может вдруг взять и исчезнуть, однако она восстановится уже через какие-то 200 фемтосекунд (либо с той же самой молекулой-соседкой, либо с другой).
В результате эти эфемерно короткие разрывы позволяют молекулам перемещаться друг относительно друга. Можно было бы сказать, что жидкая вода, в некотором роде, не жидкость вовсе, а необычайно пластичный лёд.
Эти различающиеся между собой суждения комментируются учёными по-разному.
Отказ от представления о воде как о химическом соединении, имеющем пирамидальную структуру, является "чрезвычайно важным событием", - считает химик Джулия Галли из Университета Дэвиса США.
"Вода, имеющая другую структуру, будет и вести себя по-другому, поэтому открытие может перевернуть ключевые понятия в науке", – говорит профессор Галли.
Существуют и другие мнения, основанные на тех же экспериментальных данных.
Как сообщает SpaceDaily, сотрудники отдела физических биоисследований лаборатории Лоуренса Тереза Хэд-Гордон и Маргарэт Джонсон в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийских университетов Беркли и Сан-Франциско провели новую обработку данных о структуре статической воды, полученных группой Хэд-Гордон.
Согласно данным исследования, странные образования в воде, характеризуемые обычно как "кольца и цепочки", действительно могут существовать в воде, однако относительно недолгое время. Обычным структурным элементом воды всё-таки является тетраэдр, образованный четырьмя молекулами, связанными друг с другом водородными связями.
Наличие устойчивых объёмных структур подтверждают материалы исследований и теория строения воды, разработанные группой российского ученого доктора биологических наук Станислава Зенина из Федерального научного центра Минздрава РФ. Она ориентируется на модель Полинга и описывает структуру воды и формы ее проявления – например, в таких макропараметрах, как электропроводность. Согласно результатам, полученным российскими учеными, обычная вода состоит из так называемых "ассоциатов" (clathrates) – высокостабильных образований из молекул воды, в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 её молекул. Эта структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. "Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, размером от полумикрона до микрона и со сроком жизни до нескольких часов.
В дистиллированной воде клатраты практически электронейтральны. Однако Зенин обнаружил, что их электропроводность можно изменить. Если помешать магнитной мешалкой, связи между элементами клатратов будут разрушены и вода превратится в мертвое, неупорядоченное месиво. Если поместить в воду предельно малое количество другого вещества (хоть одну молекулу) - клатраты начнут "перенимать" его электромагнитные свойства.
Это свойство объясняет чрезвычайно лабильный, подвижный характер их взаимодействия. Его природа обусловлена дальними кулоновскими силами, определяющими новый вид зарядово-комплементарной связи. Именно за счет этого вида взаимодействий осуществляется построение структурных элементов воды в ячейки (клатраты) размером до 0,5-1 микрон. Их можно непосредственно наблюдать при помощи контрастно-фазового микроскопа.
Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. Автор считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру. В лаборатории Зенина наблюдали воздействие людей на свойства воды. Это воздействие бывает настолько мощным, что тестовые микроорганизмы не только прекращают движение, но погибают и даже растворяются в ней.
Опираясь на подобные представления о структуре воды, учёные выяснили интересные подробности.
Недавно, как сообщил в конце 2005 года news.rin.ru, российские исследователи Высоцкий и Корнилова, развивая идеи Ю.И. Наберухина, провели расчет энергетических характеристик, необходимых для перехода свободных молекул воды из несвязанного состояния в полость клатрата и обратно. С помощью этих расчетов они показали, что структурой воды - количеством свободных молекул воды в полостях клатратов и вне их, - можно управлять с помощью давления, температуры, магнитного поля и т. д. Причем "заряженная" таким образом вода сохраняет свою структуру в течение длительного времени и может использоваться для медицинских целей, как самостоятельно (вспомним "живую воду" из народных сказок), так и в качестве "упаковки" для молекул лекарственных веществ. Такой "упаковкой", способной донести лекарства до внутренних органов больного, не растратив их по пути, служат клатраты, в полостях которых могут быть размещены лекарственные молекулы при определенных режимах их приготовления.
В природных условиях полости в клатратах воды могут занимать молекулы природных газов, образуя кристаллогидраты. Наиболее распространенным кристаллогидратом, встречающимся в вечной мерзлоте и на дне морей и океанов, является кристаллогидрат углеводородного газа метана. Он представляет собой массу, похожую на мокрый снег. Такие кристаллогидраты, в принципе, могут использоваться в качестве топлива альтернативного нефти и газу, но, вместе с тем, могут представлять большую опасность для жизни на Земле.
3. Вода продолжает преподносить сюрпризы.
В
последние годы обнаружены новые диковинные свойства воды. Например, вода в очень маленьких капиллярах или нанотрубках не замерзает даже в космический холод, при температурах вблизи абсолютного нуля… И ведёт себя она как твёрдое тело, находящееся в каком-то непостижимом текучем состоянии.Это новое поведение воды обнаружил, как сообщает membranа.ru, Александр Колесников и его коллеги из американской Аргоннской национальной лаборатории. Многие учёные моделировали на компьютере поведение воды в разнообразных экзотических условиях и, в том числе, в крайне ограниченном объёме, когда стенки "бака" немногим шире молекул воды. Однако никто ещё не пробовал провести натурный эксперимент по помещению воды, скажем, внутрь углеродных нанотрубок. Это и проделали американские исследователи. Они взяли углеродные нанотрубки диаметром в 1,4 нанометра и длиной 10 тысяч нанометров, и поместили их в водяной пар на несколько часов. Затем они дождались, пока вода на внешней поверхности трубок испарится, и выставили трубки интенсивному нейтронному излучению, позволяющему за счёт эффектов рассеивания увидеть внутреннюю структуру вещества вплоть до отдельных атомов водорода. Оказалось, что вода внутри трубок сформировала некое образование, напоминающее лёд по жёсткой структуре, но подвижное, как жидкость. По своим свойствам это образование отличалось от "оптового" льда или жидкости. А по форме оно напоминало кольцевую "подкладку" внутри углеродной трубки с зазором между молекулами воды и углеродными стенками в 0,32 нанометра. И это вещество оставалось подвижным подобием жидкости даже при 8 градусах Кельвина выше абсолютного нуля и перемещалось вдоль трубки — словно в одномерном пространстве. При этом выяснилось, что так называемое координатное число молекул воды сократилось с нормальных 3,8 до 1,86. Иначе говоря, сильно сократилась свобода водородных связей и их способность формировать разнообразные пространственные структуры из множества близких молекул воды, как это происходит, к примеру, во льду. Новое состояние H2O авторы работы назвали "нанотрубочной водой" (nanotube water). Её исследования будут продолжены и, как говорят учёные, пригодятся не только в физике, но и в биологии, ведь в организмах вода также попадает в необычное окружение, когда течёт по капиллярам или проходит клеточные мембраны.
Вот ещё одно экзотическое состояние воды, в котором она проявляет себя ни льдом, ни газом, ни жидкостью.
Такой вода становится при очень больших температурах и давлениях.
Лоренс Фрид и его коллеги из американской национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе рассчитали на компьютере новое, очень странное состояние воды и воспроизвели его в лабораторных условиях, - сообщил журнал Nature в марте 2005г.
В так называемом суперионном фазовом состоянии атомы кислорода в воде оказываются прочно замороженными в кристаллической решётке, но атомы водорода при этом остаются подвижными, как в газе, путешествуя свободно по всему кристаллу с очень высокой скоростью.
Сурперионное состояние было предсказано ранее. Физики размышляли, что в таком виде вода существует в глубинах планет-гигантов: при температуре в тысячу градусов Цельсия и давлении в сто тысяч атмосфер.
Фрид попробовал воспроизвести суперионную воду в лаборатории, сжимая воду обычную между алмазными наковальнями и одновременно нагревая её инфракрасным лазером.
Снимая данные о вибрации молекул воды, исследователи могли видеть, что их фазовое состояние изменилось на какое-то необычное. Но, уловив эту границу, экспериментаторы не могли точно сказать — что именно происходит по другую её сторону.
Для этого им понадобился суперкомпьютер и неделя машинного времени. Фрид и его команда рассчитали поведение 60 молекул воды в таких условиях и выяснили, что они разрушаются, а атомы, которые образовывали эти молекулы, действительно формируют суперионную фазу — более плотную, чем лёд, твёрдую, как железо, но не являющуюся ни льдом, ни жидкостью, ни газом в обычном понимании.
Высокая электропроводность суперионной воды может быть ответственна за мощные магнитные поля Урана и Нептуна.
И
так, я надеюсь, вы получили представление о величайшей сложности изучения такого, казалось бы, простого вещества, как вода.Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют - структура воды действительно может быть очень разнообразной. И она не сводится к одному какому-то виду. Она зависит от конкретных условий, в которых находятся молекулы Н2О: от температуры и давления, от параметров внешних постоянных и переменных электромагнитных полей, а возможно, и от гравитационных, от свойств растворённых в ней веществ… Все эти факторы побуждают воду конструировать вполне определённые структуры, которые могут перестраиваться при изменении внешних воздействий.
Человеческое тело, как известно, на 70% состоит из воды. И в этом видится решающая роль воды как посредника между человеком и окружающей средой, способной даже при очень незначительных изменениях своих свойств и параметров влиять на состояние человеческого организма. Вполне возможно, что именно вода является тем приёмником, который способен уловить даже самые незначительные колебания состояния космоса, космической погоды. Вместе с тем вода обязана быть в какой-то степени консервативной, не быть подверженной воздействию всех без исключения многочисленных внешних факторов. Одним словом, вода должна сочетать в себе противоположные свойства…
Не приходится сомневаться в том, что дальнейшее изучение воды принесёт нам ещё много неожиданных открытий.
Источник: Вячеслав Мещеряков. ormula.ru/index.php?a=content&issue_id=89