Чего мы до сих пор не знаем о воде?

Что есть такого в воде, чего мы еще не знаем? Она мокрая! Она прозрачная. Она появляется из дождя. Она кипит. Она превращается в снег и в лед! Неужели наше правительство тратит деньги налогоплательщиков на исследования воды?

Это выдержка из моих последних бесед с дорогой мамой, которая ушла из жизни около семи лет назад в возрасте 99 лет, до последнего дня соблюдая правила умеренности и бережливости. Ее слова отражают точку зрения примерно половины мирового населения: вода — это скучно.

А вот вторая половина населения, распаленная псевдонаукой и знатоками новой эпохи, похоже, верит в магические свойства воды, верит в гомеопатию, в структурированную воду, в полимеризованную воду, а также в память воды.

Истина лежит где-то посередине. Да, вода — штука повсеместная. На самом деле — третья самая распространенная молекула во вселенной. Но вопреки точке зрения моей матери, она также сложна. Вот лишь некоторые из научных проблем, связанных с водой, ответы на которые не найдены по сей день.

1. Сколько существует видов льда?

По последним подсчетам, существует 17 различных кристаллических форм воды в твердом виде. Но за пределами лабораторий на земле широко распространена лишь одна форма — лед Ih. Вторая кристаллическая форма льда это лед Iс, присутствующий в очень небольших количествах в верхних слоях атмосферы. А еще 15 форм возникают только при очень высоком давлении. (Также очень много воды в межзвездном пространстве, но это обычно аморфный, не кристаллизованный ломкий лед, вырастающий на частичках пыли.)

Столь богатое разнообразие кристаллического льда является результатом тетраэдральной сетки сильных водородных связей, формирующихся между соседними молекулами воды. В конденсированной фазе каждая молекула воды оптимизирует свою водородную связующую способность, формируя четыре водородных связи почти под тетраэдральным углом. Водородные связи внутри льда Ih образуют открытую трехмерную структуру низкой плотности.

Когда на такую тетраэдральную субстанцию, включающую кристаллический лед, начинает воздействовать давление, элементарный углерод, кремний и фосфор могут разрушить твердые формы низкой плотности, разложив их на самые разные структуры последовательно более высокой плотности. Предположительно, этот процесс происходит до тех пор, пока не будет достигнут определенный предел плотности. Таким способом образуются те 17 форм кристаллического льда, о которых мы говорили. Но может, есть и другие?

2. Есть два вида жидкой воды?

Несколько десятков лет назад японские ученые заявили, что наблюдали переход между двумя фазами аморфного льда под большим давлением. Поскольку мы считаем, что аморфный лед — это по сути замерзшее статическое множество соответствующей жидкости, данное наблюдение подразумевало, что существует два типа жидкой воды: обычная вода низкой плотности и компактная форма высокой плотности, аналогичная аморфному льду под большим давлением.

Последующее моделирование подтвердило эти утверждения. Ученые исследовали воду, температура которой была ниже точки замерзания, но выше «температуры гомогенного парообразования (это температура, ниже которой жидкая вода не может существовать). В этой так называемой «глубоко переохлажденной области» ученые увидели доказательства фазового перехода между двумя жидкими формами воды.

Однако другие ученые утверждают, что эти результаты являются искажением, и что такие переходы маловероятны, если исходить из принципов статистической механики. Из-за того, что они происходят очень далеко от точки равновесия, их трудно наблюдать и моделировать. На самом деле, поведение, далекое от равновесного состояния, является сегодня передовым рубежом в теории конденсированной материи.

3. Как испаряется вода?

Скорость испарения воды в жидком состоянии — это один из главных факторов неопределенности в современном моделировании климата. Она влияет на распределение водяных капель по крупности в тучах и на то, как эти тучи отражают, поглощают и рассеивают свет.

Но точный механизм испарения воды не до конца понятен. Скорость испарения традиционно представлена в виде скорости столкновения между молекулами, помноженной на поправочный множитель, называемый коэффициент испарения, значение которого может быть от нуля до единицы. Экспериментальное определение этого коэффициента, затянувшееся на несколько десятилетий, дает разницу в три порядка величины. Теоретическим расчетам мешает то обстоятельство, что испарение — это исключительно редкое явление, требующее запредельно долгих и масштабных компьютерных имитаций.

Дэвид Чандлер (David Chandler) из Калифорнийского университета в Беркли вместе с коллегами для вычисления коэффициента испарения воды использовал теорию, способную описать такие редкие явления Она называется выборкой траектории перехода. Они получили значение около единицы. Это вполне соответствует результатам недавних экспериментов с жидкостными ракетами, которые дают показатель 0,6 как для обычной, так и для тяжелой воды.

Но здесь есть пара загвоздок. Во-первых, по-прежнему непонятно, почему эксперименты, проведенные при более соответствующих атмосферных условиях, дали значения намного ниже. Кроме того, моделирование выборки траектории перехода говорит о том, что испарение зависит от аномально большой капиллярной волны, бегущей по поверхности жидкости. Такая волна ослабляет и напрягает водородные связи, которые сохраняются при испарении молекул воды. Если в воду добавить соли, усилится поверхностное натяжение, что подавит амплитуду капиллярной волны. Соответственно, должна уменьшиться и интенсивность испарения. Но экспериментальные исследования показывают, что при добавлении соли эффект либо незначителен, либо полностью отсутствует.

4. Поверхность жидкой воды — кислотная или щелочная?

Есть нечто удивительное в водной дымке вокруг Ниагарского водопада. Отдельные капли движутся так, будто у них отрицательный заряд. То же самое можно сказать о большинстве водопадов. Это явление давно уже истолковывается как доказательство того, что на поверхности капель накапливаются отрицательные ионы водной окиси (OH-). Это значит, что поверхность воды щелочная, и значение рН больше, чем 7 в нейтральной воде. На самом деле, такое толкование давно уже стало догмой в сообществе ученых, занимающихся коллоидными процессами.

На поверхности жидкой воды содержится большое количество нарушенных водородных связей, которые создают несколько иную химическую среду, чем та, которую можно найти в водной толще. Но последние эксперименты и расчеты указывают на то, что гидратированные протоны (H+) на самом деле преобладают на поверхности воды в жидком виде, в результате чего поверхность становится кислотной (pH менее 7) и положительно заряженной, а не щелочной и не негативно заряженной.

Многие важные процессы в химии и биологии, такие, как обмены между атмосферным аэрозолем и газом, ферментативный катализ и трансмембранный перенос протонов, включают в себя обмен протонами на водной поверхности и явно зависят от значения pH на этой поверхности. Но в настоящий момент это значение неизвестно.

5. Наноограниченная вода чем-то отличается?

Вода не всегда плещется в огромных океанах. И в природе, и в искусственных приспособлениях она часто ограничена невообразимо крохотными пространствами. Это и обратные мицеллы, и углеродные нанотрубки и мембраны протонного обмена, и ксерогели (которые представляют собой очень пористое и стекловидное вещество).

И эксперименты, и расчеты говорят о том, что вода, ограниченная прочными стенками и занимающая очень маленькое пространство, сравнимое по размерам с несколькими сотнями молекул, начинает проявлять квантовомеханический эффект, включая делокализацию и квантовую когерентность. Эти свойства поразительно отличаются от свойств воды в больших объемах, и они могут влиять на все, начиная с биологических клеток и кончая геологическими структурами. Это может также иметь большое практическое значение, например, при проектировании более эффективных опреснительных установок.

Получаемые сегодня результаты несколько двусмысленны, и в этой области предстоит провести еще большую работу, чтобы определить характер воды, ограниченной тесным пространством.