Российские ученые представили расчеты и контрольные эксперименты для подтверждения существования сегнетоэлектрического фазового перехода в воде, объясняющего ее аномальные свойства. Это исследование открывает перспективы для создания новых вычислительных моделей водных растворов, что важно для биологических, химических и физико-химических исследований.
Результаты опубликованы в Russian Journal of Physical Chemistry A. Исследование, начатое в начале двухтысячных коллективом ученых из МФТИ с коллегами с целью улучшения компьютерного моделирования лекарств, привело к фундаментальному переосмыслению молекулярного взаимодействия в воде.
Разработанная авторами исследования «векторная модель полярных жидкостей», созданная для ускорения дизайна лекарств, предсказала существование фазового перехода второго рода в жидкой переохлажденной воде в сегнетоэлектрическое состояние при температуре в районе 30-40 °C. Известно, что при приближении к температурам переходов второго рода в веществе возрастают флуктуации его характеристик, что приводит к изменениям его свойств, например плотности. Именно поэтому жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °C.
Ученые переосмыслили роль диполь-дипольного взаимодействия между молекулами воды. Традиционно это взаимодействие считается короткодействующим, то есть значимым только между ближайшими молекулами. Авторы показали, что это предположение неверно.
«До этого исследования считалось, что из-за быстрого спадания с расстоянием диполь-дипольное взаимодействие — короткодействующее. Если исходить из этого, то температура возможного сегнетоэлектрического перехода в воде должна быть примерно около 1500 °C, при которой жидкости не существует. Мы показали, что диполь-дипольное взаимодействие, подобно кулоновскому взаимодействию в плазме, является дальнодействующим, и предсказали сегнетоэлектрический фазовый переход в жидкой воде, который позже и был обнаружен нами в совместной работе с экспериментаторами Г. С. Бордонским и А. О. Орловым из Сибирского отделения РАН при температуре −38 °C, которая попала в предсказанный нами диапазон»,— пояснил Леонид Меньшиков, профессор кафедры общей физики МФТИ.
Физики доказали это фундаментальное утверждение двумя независимыми и математически разными подходами: простой моделью «желе» и методом кольцевых диаграмм, заимствованным из физики плазмы. Ученые вывели формулы для температуры сегнетоэлектрического перехода и предсказали ее зависимость от концентрации водного раствора с полярными растворителями.
Авторы указали контрольный эксперимент, в котором предлагается исследовать водный раствор ацетона, помещенный в нанопористый материал. Молекула ацетона усиливает эффект за счет своего дипольного момента. Кроме того, она не видоизменяется при взаимодействии с молекулами воды, что дает возможность аналитически описать ее поведение в слабом водном растворе. Пористый материал позволяет воде оставаться жидкой при указанных выше довольно низких температурах.
При этом диаметр пор в материалах, выбранных для предложенных в статье опытов, достаточно велик для того, чтобы можно было пренебречь взаимодействием молекул воды с молекулами материала, то есть считать воду объемной. Если в опытах с ростом концентрации ацетона температура сегнетоэлектрического перехода будет снижаться в соответствии с предложенной формулой, это подтвердит утверждение о дальнодействующем характере диполь-дипольного взаимодействия.
Это исследование открывает возможность создания единой теоретической основы для объяснения всех аномальных свойств воды. Учет дальнодействия диполь-дипольного взаимодействия позволит улучшить компьютерное моделирование в биологии, например расчет белков и взаимодействующих с ними лекарственных препаратов в жидких водных растворах, к каковым относится наша кровь. Возможно, что управление температурами сегнетоэлектрического фазового перехода в водных растворах приведет к созданию новых материалов и сенсоров.
В работе участвовали ученые из МФТИ, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.