Расчет водной аномалии

Вода обладает необычными свойствами, которые определяют ее особое поведение при различных температурах и давлениях и делают ее уникальным веществом. Например, хорошо известно ее свойство расширяться при замерзании. Именно оно позволяет воде зимой оставаться жидкой под ледяной коркой водоемов и выживать их холоднокровным обитателям.

Структура и строение воды во многом остаются загадкой для ученых. Известные модели пока не могут полностью воспроизвести такие ее свойства, как плохую сжимаемость и высокую теплоемкость. Исследователи активно ищут молекулярные механизмы разных аномалий в ней и пытаются предложить теоретические объяснения ее свойств в различных термодинамических условиях.

Одна из проблем, которую пытаются разрешить ученые, — это количественное описание фазового перехода между двумя жидкими формами воды при переохлаждении, то есть при понижении ее температуры ниже точки замерзания. Недавно аспирант Университета Барселоны Луис Энрике Коронас (Luis Enrique Coronas), которым руководил профессор факультета физики Джанкарло Францезе (Giancarlo Franzese), представил диссертацию, посвященную исследованию этого перехода. В ней разработана теоретическая модель, которая впервые количественно воспроизводит поведение жидкой воды практически при всех температурах и давлениях, встречающихся на нашей планете.

В основе неклассической модели лежат анализ движения и взаимодействия молекул, при которых они обмениваются электронами. Из первых принципов квантовой механики ученые рассчитали взаимодействия, которые определяют флуктуации плотности воды от нанометровых до макроскопических размеров, а также ее энергию и энтропию. Оказалось, что положение точки перехода зависит от коллективных водородных связей молекул. Расчет показал большие кооперативные флуктуации этих связей на размерах более 10 нанометров. Это происходит даже при низких температурах, которые важны, например, для консервации биотканей. Физики воспроизвели и исследовали фазовую диаграмму жидкой воды у фазового перехода. Их предсказания согласуются с последними экспериментальными данными.

Исследование сильно расширяет понимание физики воды. Для медицины оно важно тем, что вода регулирует агрегирование белков и нуклеиновых кислот в клетках, нарушение чего связано со многими заболеваниями. Кроме биохимии результаты исследования имеют большое значение для новых технологий. Например — для выяснения взаимодействий в искусственных мышцах и водных мемристорах в современных устройствах памяти, а также для фильтрации воды в порах графеновых нанотрубок, которая происходит благодаря колебаниям ее плотности.

Модель пока не описывает некоторые лабораторные эксперименты при экстремальных давлениях и температурах, в которых следует учитывать ядерные квантовые эффекты. Это дело будущего, считает Коронас. Сообщение об исследовании вынесено на обложку издания The Journal of Chemical Physics.