Структура воды

суббота
k №126, 6 ноября 2010 г.
Выпуск №73
НОВОСТИ ИЗ НАНОМИРА
Структура воды
Новые экспериментальные данные
Жидкая вода воспринимается как нечто совсем обычное, однако,
по мнению автора, это самое удивительное вещество. Действи0
тельно, вода — драгоценный дар природы, обеспечивающий
жизнь на Земле. Вода составляет около 70% от массы тела
взрослого человека, а в наиболее важных для жизнедеятельно0
сти органах — в мозгу и в крови — её содержание превышает
85%. Воду принято рассматривать, как почти нейтральный ра0
створитель, в котором протекают биохимические реакции, и как
субстанцию, которая разносит по телу различные вещества.
непротиворечиво включает в себя все
ранее полученные экспериментальные
факты, касающиеся организации H2O в
нанообъёмах, и даёт возможность
объяснить многие экспериментальные
факты, которые ранее не имели строй
ного, логичного обоснования, напри
мер, образование «парящего водяного
мостика», описанного в ряде работ, а
также позволяет предсказать новые
эффекты. Феномен образования «па
рящего мостика» и все его необычные
свойства являются следствием нали
чия в воде эмулонов — надмолекуляр
ных комплексов с размерами от 1 до
100 мкм, которые, вероятно, обладают
дипольным моментом. Можно пред
сказать одно из свойств этого явления:
водяной мостик не будет образовы
ваться при температуре выше 75 оС.
Легко объясняются и аномальные
свойства талой воды. Нами получено
экспериментальное подтверждение
феномена методом акустической эмис
сии и физикохимическими методами.
Как известно, что неоднократно отме
чалось в научной литературе, талая вода
обладает необычными свойствами: её
плотность, вязкость, электропровод
ность, показатель преломления, ра
створяющая способность и др. отлича
ются от равновесных параметров. Осо
бенно впечатляет биологическая актив
ность талой воды, которая до сих пор
не имела научного объяснения. Нами
впервые установлено, что после пол
ного плавления льда и сама жидкая
среда — талая вода, находящаяся в
метастабильном состоянии, становит
ся источником акустических импуль
сов — акустической эмиссии (АЭ), что
является экспериментальным подтвер
ждением образования в воде надмоле
кулярных комплексов — эмулонов (рис.
2). Обращаем внимание на то, что мик
рокристаллики льда, после его плавле
ния, в водной фазе существуют всего
несколько долей секунды и совсем не
определяют свойства талой воды.
Экспериментальные результаты по
казывают, что талая вода некоторое
время (до ~ 17 часов) может находить
ся в активном метастабильном состоя
нии. Объяснение этих эффектов уда
лением из воды дейтерия в результате
фазового перехода не состоятельно.
Причина этого загадочного явления
объясняется очень просто. При плав
Однако вода является непременным
участником всех реакций и физико
химических процессов. В силу своей
огромной важности вода — самое изу
чаемое вещество, но пока интенсивные
исследования структуры воды не при
вели к удовлетворительным результа
там. Для описания структуры воды
предложен ряд моделей, которые бо
лее или менее правильно объясняют
некоторые её свойства, однако в отно
шении других приводят к результатам,
противоречащим эксперименту. В боль
шинстве существующих концепций
признаётся наличие в воде упорядо
Рис.1. Надмолекулярные комплексы —
ченных льдоподобных агрегатовклас
«эмулоны» в бидистиллированной воде
теров с временем жизни порядка не
при температуре 20 oС. Размер изобра0
скольких наносекунд. Методами с при
жения 1,5 х 1,5 мм.
менением ЭВМ теоретически можно
шении температуры до 20 °С в структу
рассчитать структурные образования
ре воды происходят существенные из
только из десятков и сотен молекул, то
менения — число свободных эмулонов
есть нанокластеры.
становится максимальным (Рис. 1).
Однако ряд фактов свидетельствует
Затем, при дальнейшем повышении
о том, что в воде могут существовать
температуры, они постепенно разру
гигантские упорядоченные структуры.
шаются, число их уменьшается, этот
Например, это показали эксперименты
процесс в основном заканчивается при
академика РАН Фесенко и членакор
75 °С — температуре, при которой ско
респондента РАН Иваницкого. Эти
рость звука в воде максимальна.
структуры нам удалось обнаружить ме
При построении различных моделей
тодом акустической эмиссии и визуа
жидкой воды опускается факт посто
лизировать с помощью лазерной ин
янного наличия в ней гидратирован
терферометрии. Для опытов исполь
ных ионов водорода и гидроксила.
зовалась дистиллированная пироген
По нашему мнению, они играют ре
ная вода. Эксперименты позволили ус
шающую роль в создании структуры
тановить, что каждый раствор имеет
воды. Сверхрешётка из эмулонов, бла
присущую только ему структуру. Сним
годаря дальнодействию электростати
ки надмолекулярных структур дистил
ческих сил, которые обеспечивают ста
лированной воды при 4, 20 и 80 оС
позволили обнаружить
надмолекулярные ком
плексы, образованные
из сотен тысяч молекул
воды, которые группи
руются вокруг ионов
водорода и гидроксила
в виде ионных пар. Для
этих надмолекулярных
комплексов мы предла
гаем название «эмуло
ны», чтобы подчеркнуть
их сложную структур
ную организацию и спе
цифические свойства.
Эти комплексы —
эмулоны имеют различ
ные диаметры и состо
ят из нескольких фрак
ций с размерами от 1 до
100 мкм. Содержание
Рис. 2. Изменение амплитуды сигналов АЭ и температуры воды в процессе таяния льда.
отдельных фракций
билизацию ансамбля, очень чутко реа
лении гексагональной решётки льда
эмулонов зависит от концентрации
гирует на любые внешние воздействия
резко меняется структурная организа
ионов водорода, температуры, от при
(электромагнитные, акустические, теп
ция вещества. Кристаллическая струк
сутствия растворённых веществ и пре
ловые и др.). Обнаружение в настоя
тура льда разрушается быстрее, чем
дыстории образца. При 4 °С комплексы
щей работе надмолекулярных комплек
перестраивается в устойчивое равно
плотно упакованы и образуют тексту
сов (эмулонов) вносит существенные
весное состояние образовавшаяся из
ру, напоминающую паркет. Как извес
коррективы в представления о струк
него метастабильная талая вода. Уни
тно, вода при этой температуре имеет
туре воды. Существование эмулонов
кальность фазового перехода лёдвода
максимальную плотность. При повы
заключается в том, что вода, образовав
шаяся из льда, имеет некоторое время
такую же концентрацию ионов [H+] и
[OH], как во льду, но во льду она равно
весная, а в воде — нет. В талой воде
концентрация ионов водорода и гидро
ксила непродолжительное время сохра
няется неравновесной — такой, какой
она была во льду, то есть приблизитель
но в 1000 раз меньшей. Затем, через
некоторое время, концентрация
ионов[H+] и [OH] в воде принимает своё
обычное равновесное значение. Резуль
таты наших измерений динамики изме
нения концентрации ионов водорода в
талой воде во времени подтверждают
это. Реакция диссоциации воды:
H2O –> H+ + OH
требует значительной затраты энер
гии и протекает очень медленно. Кон
станта скорости этой реакции состав
ляет всего 2,5•105 c1 при 20 оС. Поэто
му период релаксации талой воды в
равновесное состояние теоретически
должен быть равен ~101017 часам, что
и наблюдается на практике. Это служит
причиной разговоров о «памяти» воды.
Под «памятью» воды следует понимать
зависимость её свойств от предысто
существенно влияет на активность воды
и её свойства. Поскольку в ходе реак
ций изменяются все параметры среды
(плотность, вязкость, объём и др.) и
эти изменения происходят скачкооб
разно, то химические реакции и физи
кохимические процессы неизбежно
должны сопровождаться генерацией
электромагнитных и акустических ко
лебаний в широком интервале частот,
зависящих от параметров среды и при
роды реагентов.
Реальность существования структур
ных образований в воде — эмулонов —
подтверждена классическим методом
термического анализа, разработанным
академиком Н.С. Курнаковым с сотруд
никами и успешно применённого нами к
водным растворам. На рис. 3 приведена
термограмма нагревания бидистилли
рованной воды. Как можно видеть, на
графике наблюдаются чётко выражен
ные характерные пики, свидетельству
ющие о структурных перестройках в
воде. Наиболее значимые из них соот
ветствуют температурам 36 оC (темпе
ратура минимальной теплоёмкости),
63 оC (температура минимальной сжи
маемости) и особенно характерный пик
Рис.3. Относительное изменение температуры воды при нагревании.
рии, и ничего больше. Перевести воду
в активное состояние можно много
численными приёмами: заморажива
нием, нагреванием, кипячением, «де
зинтегрированием», обработкой ульт
развуком, воздействием различных
полей и др., но это всегда будут неус
тойчивые метастабильные состояния,
ограниченное время сохраняющие свои
свойства в обычных условиях. Опти
ческим методом в талой воде обнару
жено присутствие лишь одной фрак
ции надмолекулярных образований с
малыми размерами порядка 1 — 3 μ.
Этим и объясняется то, что она ускоря
ет все биологические процессы в жи
вых организмах: мелкие структурные
образования быстрее и с меньшими
затратами энергии проникают через
клеточные мембраны. Существенно
также, что пониженная вязкость и бо
лее редкая пространственная сетка из
эмулонов в талой воде значительно уве
личивают растворяющую способность
и скорость диффузии, что обеспечива
ет её биологическую активность. Струк
турные изменения в талой воде выяв
ляются и методом ядерного магнитно
го резонанса, который подтверждает
изменения физической структуры
воды. Постепенно с течением времени
в водной фазе появляются более круп
ные структурные образования. Вода
приобретает обычные размерные спек
тры, в которых присутствует пять мак
симумов, и свойства. Таким образом,
«талая вода» отличается от обычной
преобладанием надмолекулярных ком
плексов с малыми размерами. Постро
енная по фрактальному принципу в
водной среде сеть из эмулонов очень
при 75 оC, соответствующий температу
ре максимальной скорости звука в воде,
и др. То есть их можно трактовать как
«своеобразные фазовые переходы»,
связанные с разрушением надмолеку
лярных комплексов — эмулонов, со
стоящих, как минимум, из пяти микро
структур с различными свойствами.
Каждая из этих структур существует в
определённом характерном для неё тем
пературном интервале. Повышение тем
пературы выше некоторого порогового
уровня, определённого для каждой из
них, приводит к их распаду. Этот про
цесс, кроме тепловых и акустических
эффектов, должен сопровождаться и
другими интересными явлениями. Са
мое замечательное заключается в том,
что эти температуры точно совпадают с
температурами, соответствующими:
максимальной скорости звука, мини
мальной адиабатической сжимаемости
воды, минимальной теплоёмкости и
другим аномальным точкам. Появление
пиков в процессах нагреваниеохлаж
дение полностью обратимо, но есте
ственно, как обычно в таких процессах,
сопровождается небольшим гистере
зисом.
Работа докладывалась на семина
рах в МГУ им. М.В. Ломоносова и
ИОФАН им. А.М. Прохорова и получила
высокую оценку. Награждена дипло
мом первой степени «8й Междуна
родной Крымской конференции»
(Судак, октябрь 2009 г.).
Александр СМИРНОВ,
профессор МИРЭА — Московского
государственного института
радиотехники, электроники и
автоматики a.n.smirnov@mail.ru
РЕПЛИКА К СТАРОМУ СПОРУ
Не верь глазам своим
C M Y K
Я больше не выступаю по проблеме «Были ли
американцы на Луне?». Понял, что это — дело
веры. Сейчас меня интересует другой вопрос.
Надеюсь, у вас он тоже возникнет, если вы внима
тельно рассмотрите прилагаемый снимок. Этот
кадр был помещён на первой странице обложки
журнала «Новости космонавтики» №7 за 2009
год. На нём не что иное, как след Базза Олдрина на
лунном грунте. Снимок следа помещён в круг,
обрамлённый лентой, на которой читаем истори
ческую фразу Нейла Армстронга «ONE Small Step
For A Man One GIANT LEAP FOR MANKIND». В круге
под следом стоит: «JULI 20.1969». (??? Июль —
July ???)
В журнале «Новости космонавтики» №9 за 1999
год фотография этого же следа служит иллюст
рацией к статье А. Маркова. Под фотографией
подпись: «Набивший оскомину, но оттого не ме
нее исторический снимок. Пыль — лунная, боти
нок, оставивший след — Олдрина».
Итак, рассмотрим снимок. Чтото не очень
похоже на лунную пыль… Совершенно очевид
но, что отпечаток обуви астронавта сделан на
снегу. Скорее всего, снимок следа был сделан
не сразу после оставления следа, а через неко
торое время, когда поверхность снега, окружа
ющая след, подтаяла, а потом талая вода была
подморожена. Иначе откуда бы взялась струк
тура тонких ледяных корочек, окружающих
след? Особенно хорошо видны эти прозрач
ные ледяные корочки в нижней части отпечат
ка, на границе между поверхностью и чёрным
углублением следа.
Однако возникает закономерный вопрос: по
чему астронавт оставил след не в лунной пыли,
а на снегу? Почему астронавты не сообщили,
что, пребывая на Луне, они ступали по снегу? И
почему автор статьи в «Новостях космонавти
ки», публикуя фотографию следа на снегу, убеж
дает нас, что это — лунная пыль? Незабвенный
Козьма Прутков оставил мудрый совет: «Если на
клетке слона прочтёшь надпись «буйвол», не
верь глазам своим».
А мы всё верим и верим…
Леонид БАЦУРА