15 Февраль 2011, 17:23
Авторы новой работы проверяли, насколько хорошо модель, описывающая свойства воды только с опорой на водородные связи (так называемая электростатическая модель), согласуется с данными экспериментов. Ученые отслеживали такой параметр как распределение протонов в молекулах воды по уровням кинетической энергии. Исследователи “загоняли” молекулы H2O в углеродные нанотрубки диаметром 1,6 нанометра, и подвергали систему воздействию высокоэнергетичных нейтронов, которые производил источник ISIS из лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Оксфордшире, Великобритания.
Из-за того, что нейтроны обладали очень высокой энергией, они успевали отразиться от встреченных на пути протонов до того, как последние успевали провзаимодействовать с окружающими их частицами. Таким образом, анализируя данные о рассеянии нейтронов после прохождения сквозь образец, ученые получали информацию о нативном распределении протонов по энергиям. Оказалось, что энергия сильно зависит от температуры: ее среднее значение было на 50 процентов больше предсказанного электростатической моделью при низких температурах, и на 20 процентов – при комнатной температуре. Внутри нанотрубок с диаметром 1,4 нанометра средняя энергия протонов оказалась на 30 процентов ниже, чем у воды, не помещенной в ограниченное пространство.
Также исследователи проверили, как будут распределяться по энергиям протоны в воде, помещенной в особый мембранный материал Nafion, который используется для производства топливных элементов. Ученые показали, что средняя энергия была на 30 процентов выше, чем у воды в “обычном” состоянии.
Авторы новой работы полагают, что, когда молекулы воды находятся на очень близком расстоянии друг от друга и “сдавлены” из-за маленького объема доступного пространства, протоны в них переходят в пока не описанное физиками квантовое состояние. Ученые отмечают, что квантово-механические свойства воды могут определять ее “поведение” в живых клетках, так как там расстояние между молекулами примерно соответствует тому расстоянию, на котором они находились в эксперименте.
Источник
——————————
Вдогонку к предыдущей статье. Не знаю, связаны ли эти статьи, точнее эффекты в них описанные, но, мне кажется, новость интересная.
— Дмитрий Бунтин
1. Да, новость интересная. Если неизвестное квантовое состояние воды будет подтверждено и прояснено, то, думаю, не только у воды должно оно наблюдаться. Ведь главное, чтоб был водород и электроотрицательный атом в связи, не так ли?
2. К вопросу о промерзании водоемов в вводном абзаце статьи:
“…H2O обладает максимальной плотностью при температуре плюс четыре градуса Цельсия. Благодаря этой особенности земные водоемы замерзают не снизу вверх, а сверху вниз…”
Чисто из физических соображений всегда думал, что промерзание водоемов сверху вниз обусловлено тем, что таков градеинт температуры – сверху холоднее. Причем здесь плотность, интересно?
Промерзание водоёмов: плотность льда намного меньше плотности воды, лёд легче воды, вот и плавает на поверхности, защищая воду от холода.
Согласна, результаты интересные.
Но обдумывать интерпретацию статьи на Ленте неизвестного автора , основанную на результатах, которые ещё не опубликованы в журнале… Лучше читать оригинальную статью. И для понимания нужно погружаться в область глубокого неупругого нейтронного рассеяния, чтобы оценить результаты. К примеру, с чего они решили, что водородные связи длжны быть гармоническими?
effects we have observed, … respond to the details of the structure of the hydrogen bond network of the water, they indicate a strongly anharmonic state, and that the zero point energy shifts can be comparable or greater than kT.
Оказалось, что энергия сильно зависит от температуры (имеется в виду форма распределения по энергиям?!) – это как раз не “оказалось”, а очень ожидаемо.
на 50 процентов больше предсказанного электростатической моделью при низких температурах, и на 20 процентов
-этого я вообще в статье не нашла.
и “сдавлены” из-за маленького объема доступного пространства, протоны в них переходят в пока не описанное физиками квантовое состояние
простите, допишу попозже…
“обдумывать интерпретацию статьи на Ленте неизвестного автора…” — 🙂 Ну, это понятно. Поэтому мы и стараемся проходить по ссылкам до оригинала и брать информацию оттуда. Но не всегда оригинальные статьи доступны, да и читать спец. литературу, если ты там не специалист бывает весьма трудно.
Мне интресна эта статья с точки зрения моей тематики работы. Но опять же, непонятно, насколько интересно. Попытаюсь разобраться.
Введение:
“Нydrogen bond network is usually treated as a collection of molecules, interacting weakly electrostatically. The hydrogen bonds that form are also regarded as primarily electrostatic. This picture is sufficiently accurate to give an excellent description of the structure of water, as measured by the pair correlations of the ions, and has been successfully incorporated into water models using empirical interaction potentials. The quantum delocalization of the protons can be incorporated in these models as well, and gives only small quantitative changes in the pair correlations.“
Перевод:
Сетка водородных связей обычно трактуется как набор молекул, взаимодействующих слабо-электростатически Эта картина достаточно точна, чтобы дать прекрасное описание структуры воды, которая измеряется парными корреляциями ионов, и была успешно включена в модели воды, использующие эмпирические потенциалы взаимодействия. Квантовая делокализация протонов может быть также включена в эти модели и даёт лишь малые количественные изменения в парных корреляциях.
Далее пишется про то, что сильное неупругое рассеяние (Deep Inelastic Neutron Scattering DINS) более чувствительно к потенциалу протона, чем измерения структуры. И это даёт возможность измерить the proton momentum distribution, определяемое основным состоянием протона в комбинированном внутри- и межмолекулярном потенциале. И такое измеренное распределения моментов протонов в объёмной воде для широкого набора температур невозможно описать электростатической моделью. И эта неспособность заключается не в невозможности эмпирических потенциалов уловить правильно электростатическое взаимодействие. А в неспособности учесть распределение моментов в электростатической модели как таковой. (почитаю-ка я при случае эту ссылку [1], что-то интересное)
Далее пишется, что авторы показывают наличие этого же эффекта и в нано-организованной воде масштабов 20 ангстрем(в использованных нанотрубках и мембранных материалах).
Затем идёт описание методики DINS. способа приготовления материалов и образцов. Картинка – профиль Комптоновского рассеяния для двух образцов нанотрубок(SNWT 14 A в диаметре, DNWT 16 А) при 170К и чистой воды при 300К. Формы линий сильно отличаются (более чем на указанную величину погрешности), несмотря на то, что диаметр нанотрубок отличается всего на 2 А. Пишется, что согласно классическому моделированию, в обоих материалах при 170К вода существует в виде цилиндрических столбиков льда. Причину авторы видят в особенностях организации сетки водородных связей в обоих случаях (и это вполне очевидно для меня).
Далее авторы сравнивают распределения моментова протонов (proton momentum distributions) в зависимости от температуры: SNWT никак не зависит от температуры, а DNWT сильно зависит(появляется бимодальность, двойная яма).
Далее: “Кто-то может подумать, что драматические изменения в распределении моментов протонов были особенностями структуры воды в нанотрубках при низких температурах. При комнатной температуре эти структуры исчезают, и вода образует четрёхкоординированную сетку водородных связей, как в чистой воде. Однако мы видим, что значитеьные отличия между чистой водой и нано-организованной остаются и при комнатной температуре.” Мой комментарий: очевидно, и при комнатной температуре вода в нанотрубках отличается от объёмной воды, так как влияет поверхность, на которой четырёх водородных связей не может образовываться.
Далее пишется, что выходит, что у воды меняется квантовое состояние, когда она попадает в маленькие каналы, и это может иметь очень важное значение для биологических систем.
Потом пишут, что “кто-то может подумать, что двойная яма протонов в наноорганизованной воде есть следствие лишь специфически упорядоченной стукруты в нанотрубке. Но это не так,” и приводят агруметны, что в углеродных трубках у воды нет возможности образовывать водородные свзяи со стенками, а в прежнем их исследовании был другой материал, и он образовывал водородные связи с водой, и вот там тоже был эффект. (но честно говоря, тут я не увидела у них никаких достойных аргументов. По-моему, всё дело в структуре сетки водородных связей, на которую влияют стенки поры)
Потом описываются ещё 2 материала, мембраны( perfluorosulfonic acid membranes). Один из них называется Nafilon(не знаю, откуда на Ленте.ru решили, что он применяется для топливных элементов?). Они окисляют воду, но авторы до кучи на них тоже посветили нейтронным пучком. И тоже обнаружили бимодальность распределения. И такие мембраны моут служить проводниками протонов.
И заключение:
“Каким бы ни было происхождение эффектов, которые мы наблюдами, ясно, что они могут присутствовать и при комнатной температуры в нано-органиченной воде, что они ответственны за детали структуры сетки водородных связей в воде. Что они указывают на сильно ангармоническое состояние, и что сдвиг энергии нулевого состояния может быть сравним или больше kT. Изменения zero point motion of протонов в ограниченной воде, как и в живых клетках к примеру, могут играть значительную роль в энергетике клеток, где типичные расстояния между компонентами порядка 20А. Изменения в энергии нулевого состояния уже было показано, что играют главную роль в связывании молекул воды с ДНК. Изменения в окружении для протонной проводимости в рассмотренных мембранных системах, могут начительно влиять на проводимость этих материалов.
Благодарности, литература”
Итак, моё мнение: хорошая проделанная работа, но что-то они не очень убедительно для меня показали, что причина их эффектов в новом квантовом состоянии протонов воды. По-моему, всё дело в нано-размере воды(льда): молекулы выстраиваются вдоль поверхности, сетка на поверхности получается отличной от объёмной, она влияет и на организацию молекул воды внутри капли/кусочка льда (а там их около 500 молекул).
Про влияние поверхности у меня тоже возникла мысль. Поскольку я не специалист в этой области, то вникать во всю эту кухню я не стану. Отмечу лишь, в прошлом году я был на конференции “Нелинейные проблемы механики”. Там был доклад, где моделировали протекание жидкости (кажется это была не вода, а какая-то простая модель) в нано-каналах. Так вот, авторы доклада показали, что жидкость взаимодействует со стенками канала и молекулы жидкости начинают выстраиваться в подобие кристаллической решетки у поверхности на довольно большое расстояние – порядка сотни слоев молекул. Это влияет на гидродинамическое сопротивление канала, на трение и пр. Но интересный и довольно очевидный факт – жидкость достаточно сильно взаимодействует со стенками канала (а в случае статьи – со стенками нано-трубок). Конечно, все это должно сильно сказываться на клеточном уровне.
«Это влияет на гидродинамическое сопротивление канала, на трение и пр.» Интересно. А можешь пояснить: повышает или понижает сопротивление?
Конечно повышает ? У тебя как бы сужается канал.
Спасибо Саше за реферат статьи.
1. Действительно, нужно читать источник. Я, например, думал, что в нанотрубке только одна молекула…
2. К вопросу об изменении свойств при узких стенках. Это кажется простым: стенки искажают межмолекулярный потенциал (электростатическое влияние почти очевидно, ведь известно, что при прилипании/отлипании атомов к стенкам – адсорбции/десорбции – влияние материала и сорта атомов, их физ- и химические свойства – определяющие и выражаются в “сродстве” и потенциале активации). Итак, стенки искажают межмолекулярный потенциал и, если решать квантовомеханическую задачу об энергии атома водорода (протона) в этом потенциале, то, как следствие, энергия основного состояния будет смещаться. Как и, кстати, структура связей как механическое состояние с минимальной энергией – она тоже может стать другой. Причем здесь некое “новое квантово-механическое состояние” мне непонятно. Приведенное соображение по существу близко к тому, что об этом пишет Саша.