Новости ФАНО и РАН

Ученые Института автоматики и электрометрии СО РАН (далее - ИАиЭ СО РАН), подведомственного ФАНО России, получили новые экспериментальные данные о структуре воды.

Статья с новыми экспериментальными данными опубликована в журнале Physical Review E.

Вода – самое удивительное и необычное вещество на Земле. Она не знает современной физики и имеет много аномальных свойств. При охлаждении ниже +4 ^оС вода не сжимается, а расширяется; в твердом состоянии она легче, чем в жидком и т.д. Если рассматривать воду как совокупность молекул Н₂О, то ее удельный вес должен быть 1,84 г/см³, а температура кипения 63,5 ^оС.

Все знают, что это не так. Эти и другие удивительные аномалии заставляют предположить, что воде присуща особая структура – внутри воды должны быть пустоты. Это подтверждается существованием газогидратов – объектов, где газы заполняют полости внутри воды.

Наиболее распространенная гипотеза о строении воды основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул Н₂О, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей. Свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды, присутствуют в ней лишь в небольшом количестве (~3 %).

В настоящее время многие ученые думают, что вода есть флуктуирующая смесь кластеров двух типов, в одном из которых молекулы связаны друг с другом как во льду, а в другом связи нарушены, благодаря чему эти кластеры более плотные. Размеры кластеров ~1–2 нм.

Структурная кинетика выглядит так: при повышенных температурах равновесие в воде смещено в сторону доминирования ассоциатов с нарушенными водородными связями, в то время как льдоподобные кластеры преобладают при низких температурах.

Гипотеза о том, что водная структура содержит два структурных мотива, очень удобна для объяснения специфических свойств воды и поэтому популярна для интерпретации экспериментальных результатов. Но так ли это?

Если изучать упруго рассеянный водой свет, то можно узнать, однородна или неоднородна жидкость. Обычно формула Ландау – Плачека, являющаяся отношением интегральной интенсивности упруго рассеянного света (пик Рэлея) к интенсивности двух линий Бриллюэна, связанных с рассеянием на звуковых волнах, является мерой в таких экспериментах.

Отношение Ландау – Плачека для однородных низковязких жидкостей хорошо описывается классическим теоретическим выражением, в котором используется пара независимых термодинамических переменных. Появление неоднородной структуры должно приводить к дополнительному количеству упруго рассеянного света по аналогии с влиянием флуктуаций концентрации в бинарных растворах.

В литературе известно всего несколько работ по определению отношения Ландау – Плачека в воде. Они выполнены давно и на аппаратуре ненадлежащего качества.

В экспериментах сотрудников лаборатории спектроскопии конденсированных сред ИАиЭ СО РАН отношение Ландау – Плачека измерено для жидкого состояния воды с помощью 6?проходного интерферометра Фабри – Перо. Ученые расширили диапазон температуры вверх и значительно скорректировали ранее сообщавшиеся сведения для переохлажденных состояний. Высокое спектральное разрешение аппаратуры исключило неоднозначность при оценке интенсивности пика Рэлея и линий Бриллюэна. Эксперименты показали, что зависящая от температуры часть отношения Ландау – Плачека хорошо описывается теоретическим выражением, в котором использована пара независимых термодинамических переменных (давление и энтропия).

Экспериментальные данные, полученные учеными ИАиЭ СО РАН, согласуются с теорией во всем изученном температурном диапазоне. Никаких свидетельств увеличения упруго рассеянного света при низких температурах нет.

Этот результат ограничивает возможности свободного фантазирования относительно моделей структуры воды. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, почему флуктуации, вызванные возможными неоднородностями в структуре воды, не проявляются в рассеянии света.