Вода обладает особым местом среди жидкостей за свои необычные свойства и остается плохо понятой. Например, она расширяется только при замораживании до льда и становится менее вязкой при сжатии вокруг атмосферного давления. Рационализация этих странностей является серьезной проблемой для физики и химии. Недавние исследования, проведенные Институтом промышленных наук Токио (IIS), свидетельствуют о том, что они обусловлены степенью структурного упорядочения в жидкости.
Вода относится к классу жидкостей, частицы которых образуют локальные тетраэдрические структуры. Тетраэдральность воды является следствием водородных связей между молекулами, которые ограничены фиксированными направлениями. В исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук США (PNAS), ученые исследовали, почему физические свойства воды, выраженные ее фазовой диаграммой, настолько замечательны, даже по сравнению с другими тетраэдрическими элементами, таких как кремний и углерод.
Тетраэдрические жидкости часто моделируются энергетическим потенциалом, названным моделью SW. Предполагается, что жидкость содержит две фазы - неупорядоченное состояние с высокой вращательной симметрией и тетраэдрически упорядоченное состояние, которое не находится в термодинамическом равновесии. Несмотря на свою простоту, модель точно прогнозирует аномальное поведение жидкости. Свойство двух состояний управляется параметром lambda (λ), который описывает относительную силу парных и трехмерных межмолекулярных взаимодействий. Чем выше λ, тем выше степень тетраэдрального порядка.
«Мы поняли, что λ, достаточно большой для воды, является ключом к уникальности этих жидкостей», - говорит автор соавторов Джон Руссо. «Эффективно λ контролирует степень тетраэдральности: при увеличении λ тетраэдрические оболочки, образующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергетически более устойчивыми, поэтому эти оболочки преодолевают неблагоприятную потерю энтропии, которая сопровождает создание порядка». Местные тетраэдры напоминают твердотельные структуры, поэтому кристаллы с высокой λ кристаллизуются более легко.
Постоянно регулируя λ, они моделировали набор фазовых диаграмм для моделирования того, что происходит, когда «простая» жидкость становится все более водоподобной. С ростом λ различные термодинамические и динамические аномалии тетраэдрических жидкостей, такие как расширение при низкой температуре и нарушение стандартного закона Аррениуса для диффузии, стали более выраженными.
Однако это было не так просто, как «больше тетраэдров равно более странному поведению». Влияние тетраэдральности было максимизировано для воды, которая имеет λ = 23,15. Выше здесь поведение плотности как функции температуры снова приблизилось к нормальной, потому что разница в объеме между упорядоченными и неупорядоченными состояниями начала уменьшаться. Таким образом, вода имеет изящно настроенное или «золотистое» значение λ, что позволяет легко переносить между порядком и случайностью. Это дает высокую структурную гибкость в ответ на изменение температуры или давления, что является причиной его уникального поведения.
«Связывание наблюдаемых свойств, таких как вязкость с микроскопическими структурами, - вот что такое физическая химия», - говорит автор соавторов Хаджиме Танака. «Вода, самое распространенное и все же самое необычное вещество на Земле, уже давно является последней границей в этом отношении. Мы были рады тому, что простая, хорошо известная модель может полностью объяснить странность воды, которая возникает из тонкого баланса между порядком и беспорядком в жидкости ».
