Рентген помог российским физикам уточнить структуру воды

МОСКВА, 15 апр – РИА Новости. Международный коллектив ученых точно измерил силу водородных связей между молекулами воды и опроверг популярную сегодня теорию о том, как устроена эта необычная жидкость. Новое теоретическое описание структуры воды было представлено в журнале Nature Communications.

«

"На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с ее окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и ее теплоемкость", – заявил Фарис Гельмуханов из Сибирского федерального университета в Красноярске.

Почти все молекулы, существующие во Вселенной, состоят из атомов, связанных тремя путями – посредством прочных ковалентных или ионных связей, основанных на "обобществлении" или "экспроприации" электронов между двумя атомами, и слабых водородных связей.

Они образуются за счет перераспределения заряда между атомами водорода и кислорода, из-за которого возникает "зарядовая асимметрия" молекулы. В результате этого один ее "конец" оказывается заряжен положительно, а другой отрицательно. К этим "заряженным" концам могут присоединяться другие атомы и молекулы, а также атомы в самой молекуле, содержащей водород.

Водородные связи, возникающие между молекулами воды, объясняют высокую температуру кипения и высокую вязкость воды, а также необычные свойства белков, молекул ДНК и других "кирпичиков жизни". Ученые достаточно давно знают примерную силу этих связей, однако их точное значение так и не было измерено из-за того, что электронные микроскопы крайне плохо "видят" атомы водорода в молекулах.

Эта неопределенность, как отмечают Гельмуханов и его коллеги, уже много десятилетий заставляет физиков спорить о том, как устроена вода. Наиболее общепринятая теория ее строения, появившаяся в начале 2000 годов, подразумевает, что она состоит не из одиночных молекул, а особых структур, так называемых кластеров, объединяющих от трех до нескольких десятков элементов.

Подобное устройство воды хорошо объясняет некоторые ее аномальные черты, к примеру, ее расширение, а не сжатие при замерзании, или необычно высокие температуры кипения и замерзания. С другой стороны, эта теория не совместима с другими необычными свойствами воды, что заставляет ученых искать альтернативы для нее.

Как передает пресс-служба Российского научного фонда, физики из Красноярска и ряда европейских исследовательских центров сделали большой шаг к ответу на эти вопросы, научившись "щупать" ковалентные и водородные связи внутри жидкой воды при помощи рентгеновского излучения.

Подобные замеры, как отмечают ученые, их коллеги пытались проводить и раньше, однако было не понятно, как распады старых и формирование новых водородных связей между молекулами воды в толще жидкости будут влиять на рентген. Российские и зарубежные ученые решили эту проблему остроумным способом, сравнив то, как выглядит жидкая вода и очень разреженный пар.

Их идея базировалась на очень простом предположении – водородные связи не возникают между молекулами H2O в парообразном состоянии. Это позволяет отделить то, как они влияют на структуру воды и сказываются на взаимодействии рентгеновского излучения с ее толщей.

Классическая теория устройства воды, как отмечают Гельмуханов и его коллеги, предсказывает, что в спектре рентгеновского излучения должен появиться особый набор провалов и пиков, связанных с существованием кластеров разных размеров. Соответственно, он будет характерен для жидкой воды, но будет отсутствовать у пара.

В реальности все оказалось иначе – рентгеновское излучение менялось схожим образом и в том, и в другом случае. Когда ученые проанализировали эти данные, они пришли к выводу, что подобный рисунок появлялся в спектре излучения не из-за наличия разных типов кластеров в толще воды, а из-за быстрого распада ее молекул на ионы H+ и OH-.

Все это, как считают российские и зарубежные физики, говорит о том, что никакой сложной структуры воды, которая описывается в рамках кластерной теории, на самом деле не существует. По их мнению, ее устройство определяется исключительно взаимодействиями отдельных молекул, а не более крупных структур. Характер этих связей ученые планируют изучить в самое ближайшее время.

Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).