"Минеральная" вода: открыто абсолютно новое состояние молекул H2O
Сенсационное открытие сделали американские физики: с помощью компьютерного моделирования и нейтронного рассеяния они обнаружили абсолютно новое состояние молекул воды – нетипичное ни для одного из трёх известных агрегатных состояний.
Как известно, вода имеет три основных агрегатных состояния — жидкое, твёрдое и газообразное. Однако под большим давлением и в тесном пространстве молекулы воды демонстрируют ещё одно состояние и живут при этом не по классическим, а по квантовым законам физики.
Исследователи из Национальной лаборатории в Оук-Ридж (Oak Ridge National Laboratory) совместно с лабораторией Резерфорда-Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory) провели эксперимент, чтобы выяснить, какое состояние принимает жидкость в микротрещинах горных пород, почве, а также в ходе прохождения через клеточные мембраны. Однако открытие оказалось куда более масштабным и неожиданным.
В ходе эксперимента воду помещали в шестиугольные сверхмалые каналы в минерале берилл (химическая формула Be3Al2Si6O18). Этот минерал – основа изумрудов. Диаметр изученных каналов составляет всего 0,5 нанометра.
Как оказалось, молекулы воды демонстрируют квантовый эффект туннелирования, преодолевая потенциальный барьер. Такое состояние воды никогда ранее не наблюдалось учёными и не соответствовало каким-либо типичным состояниям этого вещества.
Само по себе это явление (квантовое туннелирование) уже давно известно, но ранее всегда считалось, что оно существует лишь в квантовой механике.
При низких температурах (5-50 К) эта "туннельная" вода демонстрирует квантовые свойства, что в классическом мире невозможно. "В этом случае атомы кислорода и водорода являются "делокализоваными" и, значит, одновременно присутствуют в шести симметричных позициях в канале", — объясняет ведущий автор исследования Александр Колесников в пресс-релизе на сайте Американского физического общества (APS).
Исследование образцов при помощи нейтронного рассеяния, а также последующее компьютерное моделирование возможных вариантов, показало, что атомы молекулы воды "делокализуются" в пространстве внутри шестигранного канала, то есть у них нет какой-то одной ориентации. Они находятся одновременно во всех шести возможных позициях.
Простым языком этот феномен можно описать следующим образом. Представим молекулу воды в шестигранном канале. В молекуле есть атом кислорода, который располагается почти точно по центру канала, а пара водородов обращена к одной из шести стенок канала. Провернуться внутри канала и перейти из одной ориентации в другую молекула воды физически не может – канал для этого слишком узок — точнее, так считалось раньше.
В ходе работы выяснилось, что молекула воды всё-таки может поменять ориентацию от одной стенки к другой, при этом не побывав в каком-то среднем положении — она туннелирует из начальной в конечную точку поворота (преодолевая тот самый потенциальный барьер между двумя возможными положениями). Кроме того, поскольку все шесть положений эквивалентны, то туннелирование происходит между всеми положениями одинаково. Сложно представить это, оперируя понятиями классической физики, но можно представить, что пара атомов водорода в молекуле H2O как будто "размазывается" внутри канала, образуя что-то вроде бублика плотности вокруг центра канала.
"Эксперименты показали, что средняя кинетическая энергия атомов водорода молекулы воды, находящейся в туннельном состоянии при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, приблизительно на 30 процентов меньше, чем энергия атомов водорода воды в обычном жидком или твердом состоянии", – рассказывает Александр Колесников на сайте Оук-Риджской лаборатории, — И этот факт полностью противоречит всем существующим моделям и теориям".
Интересно, что для того, чтобы молекулы воды перешли в туннельное состояние, недостаточно "загнать" их в любую узкую полость. Как показали компьютерные расчёты, "катализатором" перехода молекул воды в туннельное состояние являются колебания структуры кристалла берилла.
Ещё один интересный факт – это то, что так называемая "берилловая вода" не имеет дипольного момента. Как известно, в обычных условиях атомы водорода в молекуле воды заряжены положительно и "смотрят" в одну сторону, а атом кислорода, который заряжен отрицательно, — в другую. Однако в минерале молекула воды вообще не имеет положительно и отрицательно заряженных "полюсов".
Вероятно, открытие нового состояния молекул воды в берилле поможет понять её термодинамические свойства в различных геологических условиях, а также в замкнутых средах (например, в углеродных нанотрубках).
Исследователи из Оук-Риджа и Лаборатории Резерфорда-Эплтона не сомневаются, что их открытие повлечёт за собой множество дискуссий в биологических, геологических и физико-математических кругах: теперь важно будет объяснить механизм нового явления и понять, как оно подействует на каждую научную сферу.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
