Молекулярная структура воды: Молекулярная структура воды: суть и особенности

Мифы и реалии о структуре воды

5 мая 2020

Среди всех существующих на Земле веществ вода, благодаря своеобразию своим физическим и химическим свойствам, занимает самое высокое положение в природе и играет важнейшую роль в жизни человека. На всей поверхности Земли вода занимает 70% и от массы человека составляет 70% : эмбрион состоит из воды на 95%, в теле новорожденного её – 75%, у взрослого человека – 60%, лишь в старости количество понижается.

Вода это как химическая субстанция, уникальна своим строением и по своими свойствами. Вода — это прозрачная жидкость без вкуса, цвета и без запаха. Молекулярная масса её составляет– 18,0160. Дистиллированной воды максимальная плотность – 1 г/см3, при давлении 1С и а темтемпература 3,9820. Вода является уникальным растворителем, и может растворять другие вещества и больше солей, чем любая другая жидкость, она может окислять почти все горные породы и разрушать металлы . Это можно объяснить тем, что диэлектрическая проницаемость воды — 81,0 при 200 С, а у большинства других тел она находится в пределах 2-3, за исключением ряда кислот цианистого водорода и (муравьиная – 58, ацетон – 21) , у него этот показатель равен 107.

В форме сферических капель вода имеет поверхность наименьшую при этом заданном объёме., Необходимое условие для капиллярных процессов является поверхностное натяжение которое равно 72,75 дин/см.

У большинства веществ (кроме водорода и аммиака) удельная теплоёмкость воды выше, и составляет при при 150 С равна 1,000 кал/г-град, а 1000 С 0,487 кал/г-град. Вода обладает уникальной способностью поглощения большого количества теплоты и при этом нагреваться сравнительно мало, при этом дополнительное поглощение теплоты происходит при неизменяемости температуры в процессах замерзания и кипения. При увеличении давления температура замерзания воды понижается примерно на 10 С на каждые 130 атм. При кипении температура давления 1 атм — 1000 С, а при отрицательной температуре её составные части кипят : кислород при – 1800 С, водород при -2530 С.

Вода способна полимеризоваться – это соединение большого количества молекул обычной воды в цепочки и кластеры. Такая вода имеет целый ряд совершенно новых физических свойств, в частности она может кипеть при температуре в 5-6 раз более высокой, чем обыкновенная.

Объясняют необычные свойства талой воды можно, за счет ориентационных способностей ее молекул образовывать межмолекулярные ассоциаты, дисперсионные и индукционные взаимодействии (сил Ван-дер-Ваальса) и за счет водородные связи между атомами кислорода и водорода соседних молекул. Эти воздействия молекулы воды могут образовываться как случайные ассоциаты, имеющие определенную структуру.

Рис. 1. Структура воды и льда.Водородные связи в жидкой воде(слева) нескольких соседних молекул образуют быстротечные, непостоянные структуры. С другими четырьмя соседними молекулами. каждая молекула воды во льду (справа) жёстко связана.

Результат исследования структуры чистой воды, проведенные д.б.н. С.В.Зениным (Федеральный научный клинико-экспериментальный центр ТМДЛ Минздрава России), было обнаружено что присутствуют стабильные долгоживущие кластеры воды (1). Расчеты ученых показали, что вода это целая иерархия объемных структур, в их основе которых лежит кристаллоподобные образования, состоящие из 57 молекул и взаимодействующие друг с другом за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Причём конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. Дистиллированная вода имеет так же очень интересную структуру.

Действие между гранями элементов кластеров, дальние кулоновские силы притяжения, что позволяет рассмотреть структурное состояние в виде особой информационной матрицы воды. Ученый С.В. Зенин в своей работе (2-6) довел, что образование таких молекул воды могут взаимодействовать друг с другом по принципу зарядовой комплементарности, известной науке по исследованиям ДНК, за счет которой существует структурных построение элементов воды в (клатраты) ячейки,это можно наблюдать под контрастно-фазовым микроскопом. Можно предположить что главным для матрицы синтеза первой ДНК служила вода,и является информационной основой для жизни и всех биохимических процессов.

Согласно из работ статистическим расчетам, (7-9) д.х.н. А.В.Каргополова, д.б.н. В.И.Слесарева, д.м.н. А.В.Шаброва, И.Н.Серова доведено, что в обычной воде совокупность всех отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% — это кластеры (структурированная вода). Исследования привели к выводу, что для характеристик деструктурированной части воды из-за ее большой неупорядоченности в перемещении и взаимодействиях ее молекул и ассоциатов имеет высокое значение энтропия (S), а для структурированной части – информация (I), в последствие наличие определенной в структуре организованности кластеров, а также в их обмене и перемещении молекулами воды. В формированиях структур водных кластеров определенную роль играет такой информационный фактор как взаимодействие, с участием данного образца воды. При наличии в воде двух частей – структурированной и деструктурированной – является естественно, так как в открытой динамической системе благодаря самоорганизации действует закон превращения и сохранения : S+I=const.

Молекулы воды способны образовывать кластеры, в их структуре закодирована информация о взаимодействиях характеризует ее структурно-информационные свойства, т.е. «память» воды (7). Вода является динамичной, открытой самоорганизующейся системой, в которой смещается стационарное равновесие при внешнем любом воздействии. Переходное состояние возникает в результате этого взаимодействия, которое, вследствие процессов самоорганизации, может привести воду в новое стационарное состояние или в исходное. Оно характерно изменениям разных характеристик, но, прежде всего к структурно-информационному свойству. Это изменение происходит в результате взаимодействия воды с внешними или внутренними воздействиями, проявляющееся в переструктурировании в ней водных кластеров, изменении межмолекулярных взаимодействий, а также спектральных и физико-химических характеристик. Большое количество взаимодействий, все же приведет не к полному переструктурированиям воды, а лишь частично за счет различий водных кластеров в продолжительности жизни, что обеспечивает системам и воде на ее основе как короткую, так и долговременную «генетическую» память.

Рис.2. Кластерная модель структурированной воды. Отчётливо видны отдельные ассоциированные кластеры молекул воды.

Уже появилось очень много разработанных технологий получение структурированной воды: обратный осмос, замораживание с последующим таянием, процесс католит («живая» вода) и электролитическое разделения воды на анолит («мертвая» вода),омагничивание, после чего образуется вода с новыми свойствами, которые появляются не за счет химического воздействия, а за счет изменений волновых характеристик и характеристик поля.

Исследования, показавшие различие в молекулярной структуре воды при ее взаимодействии с окружающей средой, проведены Масару Эмото (Япония) (10), который доказал, что неоднородная кристаллическая структура воды может легко изменятся под влиянием всех возможных внешних воздействий, и зависеть от внесенной информации и не зависит от того, какая среда загрязненная или чистая. В своем эксперименте он имел возможность использовать анализатор магнитного резонанса для некоторых функций, сюда включается качественный анализ воды. Под сильным микроскопом, имеющий встроенную фотокамеру, изучаются замороженные водяные капли. Этот эксперимент дал возможность увидеть, как информационное воздействие может повлиять на молекулярную структуру воды.

Мы уже много лет продаем и устанавливаем фильтры питьевой воды по всей Украине и искренне верим в свое дело. То, что фильтры способны обеспечивать Вас качественной водой — перепроверено многократно. Если у Вас есть вопросы по финансовой части, предлагаем статью со сравнительным расчетом заказа бутиллированной воды, или фильтра — вы удивитесь!

Все вышеперечисленные данные свидетельствуют о том, что важной характеристикой воды являются структурные параметры, определяющие ее отрицательное или положительное влияние на человека. На различные водные системы и структурно-информационные свойства чистой воды влияют: давление, фазовые переходы воды (замерзание, нагревание, таяние воды), температура, нерастворимые в воде материалы которые длительно контактируют с поверхностью, примеси, направленные механические воздействия, контакт воды и ее пары с веществами в газо- и парообразном состоянии, вибрационные и акустические поля, электрические, электромагнитные и торсионные поля, магнитные, топологические структураторы полей (пирамиды, призма, фрактальные матрицы, дифракционые решетки), воздействия астрогелиогеофизические факторы (7-10)а также биополей различных живых объектов .

Имея сейчас на руках такие обнадёживающие данные о структуре воды, следующим логическим шагом могло быть изучение пространственной структуры её дейтерированного аналога — тяжёлой воды, в которой существенную роль из за различия в атомной массе протия и дейтерия играют гидрофобные взаимодействия и изотопные эффекты тяжёлой воды и как следствие различное воздействие тяжёлой воды на клетки.

Поделиться

Рассказать

Поделится

Поделится

Новый комментарий

Войти с помощью

Отправить

Как структурированная водородная вода восстанавливает организм человека

Структурированная вода несет в себе биологическую активность за счёт особой молекулярной структуры. Чем стабильнее сформирована молекулярная структура, тем полезнее и эффективней будет её потребление.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (водородные кластеры), которые соединены между собой ковалентной связью. Молекула воды имеет полярную химическую связь т.к. кислород притягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а атомы водорода — положительно заряженные электроны. В результате молекула имеет два полюса, что во многом определяет ее необычные свойства.

Молекулы воды способны соединяться между собой благодаря положительно заряженным атомам водорода, которые притягиваются к отрицательно заряженному кислороду, такая молекулярная связь называется водородная.

Водородная связь образует как случайные соединения(ассоциаты), не имеющие упорядоченной структуры, так и кластеры, в которых ассоциаты имеют определенную структуру. По прочности водородная связь примерно в 15 — 20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому ассоциаты молекул воды не стабильны и коротко живущие, они постоянно разделяются и образуютновые соединения. Считается, что из-за таких свойств, вода является самым универсальным растворителем.

Интересным фактом является то, что отдельные молекулы воды, не связанные в ассоциаты, присутствуют в самой структуре воды лишь в виде 1%. В основном вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и кластеров «водяных кристаллов», где количество связанных молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.

Кластеры воды имеют стабильную структуру подобно клеточной воде

Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единое целое, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Их жизнь быстротечна, и потому они с трудом поддаются изучению. Уникальность воды заключается в том, что она представляет собой сложную и динамически меняющуюся структуру кластеров и ассоциатов.

Кластер воды – это группы молекул, объединенные водородными связями, которые имеют стабильную структуру. Группируясь, молекулы воды создают различные пространственные и плоскостные структуры. Базовой структурой кластера считается группа из шести молекул, объединенных в кольцо. Такой тип структуры имеют лёд, снег, талая вода, и клеточная вода всех живых тканей.

К примеру, в обычной воде кластеры состоят из макромолекулярных групп, образованных из 15-17 молекул и более сотен молекул. Такая вода менее подвижна, плохо растворяет химические вещества, плохо проникает через мембрану клеток, что ухудшает клеточный метаболизм (обмен веществ) и приводит к дополнительным энергозатратам, т.к. каждый организм структурирует воду под себя.

Изменения структуры воды в природе

Может ли вода менять свою структуру? Вода самое аномальное из всех известных в природе веществ. Её структура легко может изменяться под внешним воздействием: при помощи давления, температуры, магнитного поля, электрического поля и т. д.

При изменении температуры структура воды меняет свое состояние: Пар, жидкость, лед.

Объяснение такого изменения в том, что молекулы воды совершают колебания с определенной частотой. При нагреве воды до 100 градусов, амплитуда колебания молекул становится такой силы, что притяжение молекул воды друг к другу становится не в состоянии удерживать их вместе, в результате структура кластера распадается. При охлаждении амплитуда колебаний уменьшается, и структура становится более прочной.

Газообразное состояние. При температуре выше +100°С вода преобразуется в газообразное состояние. В газообразном состоянии водородная связь между молекулами воды почти полностью отсутствует. На этом примере мы можем увидеть, как легко разрываются водородные связи между молекулами превращаясь в пар.

Жидкое состояние. При температуре от 0 до 100°С вода находиться в жидком состоянии. В жидком состоянии водородные связи –легко образующие, спонтанные, быстро разделяются и объединяются вновь с другими молекулами. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды. Но так же есть и более устойчивые долгоживущие соединения — кластеры.

Согласно недавним научным исследованиям Японским институтом воды, в обычной питьевой воде находится случайных ассоциатов — 70% (деструктурированная вода) и кластеров — 30% (структурированная вода).

Твердое состояние. При температуре ниже 0 вода переходит в твердое состояние «Лед». В твердом состоянии водородные связи молекул воды образуют крепкую, непрерывную кристаллическую сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, которые соединены между собой прямыми одинаковыми водородными связями в сетчатый каркас с пустотами в нем. Это объясняет почему плотность льда меньше плотности воды.

Самый наглядный пример структурированной воды — талая вода. Она образуется, когда происходит оттаивание льда при температуре 0 °С. При плавлении кристаллической решетки льда разрушается только 17% от общих водородных связей. Поэтому свойственна льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними молекулами при оттаивании в значительной степени сохраняется, но при каждом повышении температуры, разрушение происходит активнее. А после кипячения воды ее структура разрушается.

Этим можно объяснить полезность воды из горных источников. Она зарождается у кромки таяния снега и льда, то имеет специфическую структуру, где связи между молекулами упорядочены, а молекулы объединены в кластеры.

Роль структурированной воды в организме человека

Человек состоит на большую часть из воды, поэтому вода является самым важным элементом в организме. Подробнее о клеточной воде и ее функциях.

Вода в организме человека также структурирована. Она похожа на структуру кристаллической решетки льда, но по-своему уникальна. Обычная вода состоит из макромолекулярных групп — кластеров, образованных из 15-17 молекул и более. В организме клеточная и межклеточная вода имеет кластеры из 5-7 молекул воды, ее называют низкомолекулярной водой.

Благодаря такой структуре, вода обладает хорошей проникающей способностью в клетки, быстро циркулирует и способствует нормальному протеканию всех биохимических реакций, что существенно повышает эффективность и синхронность работы всех систем организма.

При потреблении обычных водопроводных или газированных вод либо напитков, где структура воды всегда разрушена и состоит из макромолекулярных кластеров, организм структурирует воду по типу своей внутренней структуры, затрачивая при этом клеточную энергию. Именно затрата жизненной энергии на структурирование воды является главной причиной «синдрома хронической усталости». Поэтому потребление структурированной воды легко усваивается организмом и не требует энергетических затрат.

Чем полезна структурированная вода

Структурированная вода, имеющая структуру близкую к внутренней жидкости организма легко усваивается организмом, не тратиться дополнительная клеточная энергия на преобразование в низкомолекулярную. Биологическое действие на организм связано с тем, что каналы мембран клеток имеют регулярную структуру схожую со структурой преобразованной воды, в результате молекулы структурированной воды пропускаются с повышенной скоростью. Кстати, таким же эффектом объясняется польза от потребления различных фруктов и овощей в связи с тем, что, межклеточная жидкость растений, имеет аналогичную структуру.

Вывод: Клеточная вода любого живого организма имеет упорядоченную структуру (структурированная), а употребление структурированной воды не требует затрат дополнительной энергии на ее преобразование. Высвободившийся энергетический потенциал организм использует на собственное восстановление, тем самым укрепляется иммунитет, регенерация тканей. Существенно повышается порог интеллектуальных и стрессовых перегрузок.

Вода с «живой» структурой без труда проникает через мембраны клеток, где приносит каждой клетке витамины и питательные вещества, вымывает токсины и шлаки из организма, а также усиливает действие натуральных лекарственных препаратов.

Как обычно структурируют воду в домашних условиях

Вода структурируется, а точнее обретает особую регулярную структуру при воздействии некоторых факторов, от которых зависят способы ее приготовления и жизненный цикл регулярной структуры. Например,

1. при замораживании-оттаивании воды (талая вода, где сохраняются “ледяные” кластеры)
2. при воздействии электрического поля (электролиз)
3. при воздействии постоянного магнитного поля (магниты)
4. при химических воздействиях (магниевый стержень ViloVit)
5. при механических воздействиях, происходит незначительное изменение структуры (встряхивание, перемешивание, течение в различных режимах)

Полученная структурированная вода становиться активной и несет полезные свойства для всего организма.

Статьи по теме

Водород самый лучший антиоксидант

Водородная вода

Щелочная вода

Заказать продукты VILOVIT

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ ТОВАРОВ

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Ученые открыли новые свойства h3O — ScienceDaily

Группа ученых обнаружила новые молекулярные свойства воды – открытие явления, которое ранее оставалось незамеченным.

Известно, что жидкая вода является отличным переносчиком продуктов собственной автоионизации; то есть заряженные частицы, полученные при расщеплении молекулы воды (h3O) на протоны (H+) и гидроксид-ионы (OH?). Это замечательное свойство воды делает ее важнейшим компонентом новых электрохимических технологий производства и хранения энергии, таких как топливные элементы; действительно, сама жизнь была бы невозможна, если бы вода не обладала этой характеристикой.

Известно, что вода состоит из сложной сети слабых направленных взаимодействий, известных как водородные связи. Почти столетие считалось, что механизмы, с помощью которых вода переносит H+ и OH? ионы были зеркальным отражением друг друга — идентичными во всех отношениях, кроме направлений водородных связей, вовлеченных в процесс.

Текущие современные теоретические модели и компьютерное моделирование, однако, предсказывают фундаментальную асимметрию в этих механизмах. Если это так, то эту асимметрию можно использовать в различных приложениях, адаптируя систему так, чтобы один ион отдавал предпочтение другому.

Экспериментальное подтверждение теоретического предсказания остается труднодостижимым из-за сложности непосредственного наблюдения за двумя видами ионов. Различные эксперименты дали лишь проблески предсказанной асимметрии.

Группа ученых из Нью-Йоркского университета под руководством профессора Алексея Ершоу, в которую вошли Эмилия Силлетта, постдокторант Нью-Йоркского университета, и Марк Такерман, профессор химии и математики Нью-Йоркского университета, разработала новый эксперимент для выявления этой асимметрии. Экспериментальный подход заключался в охлаждении воды до ее так называемой температуры максимальной плотности, при которой асимметрия, как ожидается, будет наиболее сильно проявляться, что позволило ее тщательно обнаружить.

Общеизвестно, что лед плавает по воде, а озера замерзают сверху. Это связано с тем, что молекулы воды упаковываются в структуру с меньшей плотностью, чем плотность жидкой воды, что является проявлением необычных свойств воды: плотность жидкой воды увеличивается сразу после точки замерзания и достигает максимума при четырех градусах Цельсия (39 градусов). по Фаренгейту), так называемая температура максимальной плотности; эта разница в плотности диктует, что жидкость всегда находится подо льдом.

Охлаждая воду до этой температуры, группа использовала методы ядерного магнитного резонанса (тот же подход используется в медицине при магнитно-резонансной томографии), чтобы показать, что разница во времени жизни двух ионов достигает максимального значения (чем больше время жизни , тем медленнее транспорт). Подчеркнув разницу в продолжительности жизни, асимметрия стала очевидной.

Как отмечалось ранее, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, но атомы водорода относительно подвижны и могут перескакивать с одной молекулы на другую, и именно этот прыжок делает две ионные частицы столь подвижными в воде.

В поисках объяснений характеристик, зависящих от температуры, исследователи сосредоточились на скорости, с которой могут происходить такие прыжки.

Предыдущие исследования показали, что два основных геометрических расположения водородных связей (по одной связанной с каждым ионом) облегчают прыжки. Исследователи обнаружили, что одна из схем приводила к значительно более медленным прыжкам для OH? чем для H+ при четырех градусах Цельсия. Поскольку это также температура максимальной плотности, исследователи сочли, что эти два явления должны быть связаны. Кроме того, их результаты показали, что прыжковое поведение молекул резко изменилось при этой температуре.

«Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес из-за ее центральной роли в обеспечении физиологических процессов и ее повсеместного характера», — говорит Джершоу, соответствующий автор этого исследования. «Новое открытие весьма неожиданно и может способствовать более глубокому пониманию свойств воды, а также ее роли как жидкости во многих явлениях природы».

Такерман, который был одним из первых исследователей, предсказавших асимметрию в механизмах переноса и различие в расположении водородных связей, говорит: «Приятно, что эти четкие экспериментальные данные подтверждают наши более ранние предсказания. поиск новых способов использования асимметрии между транспортом H+ и OH? для разработки новых материалов для приложений чистой энергии, и знание того, что мы начинаем с правильной модели, имеет решающее значение для нашего дальнейшего прогресса».

Находки группы также повлияют на широкий спектр других исследований, начиная от изучения функции ферментов в организме и заканчивая пониманием того, как живые организмы могут процветать в суровых условиях, включая минусовые температуры и сильнокислую среду.

Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (CHE 1710046, CHE-1534374) и частично программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1420073).

Наука о воде на молекулярном уровне: новый взгляд на характеристики воды | Национальный научный обзор

Статья журнала

Джун Ху,

Джун Ху
*

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

Зексиан Цао

Зексиан Цао

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

National Science Review , том 1, выпуск 2, июнь 2014 г., страницы 179–181, https://doi.org/10.1093/nsr/nwt015

Опубликовано:

7 декабря 2013 г.

Фильтр поиска панели навигации

National Science ReviewЭтот выпускМедицина и здоровьеНаука и математикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

National Science ReviewЭтот выпускМедицина и здоровьеНаука и математикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

Высшее благо подобно воде. Достоинство воды в том, что она приносит пользу всем существам; но сама не карабкается, а довольствуется местами, которые все люди презирают. Именно это делает воду такой близкой к Дао.

—Дао Тэ Цзин

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

«Гидрофобный водный слой»: вода не смачивает воду. Вода демонстрирует аномальное поведение на молекулярном уровне.

Энергия и вода неразрывно и взаимно связаны; для производства энергии требуются большие объемы воды (например, в США и Китае для производства электроэнергии требуется более 40 % всего суточного забора пресной воды [1]), а обработка и распределение воды зависят от легкодоступных, маломощных стоимость энергии. Совсем недавно вопросы управления водными ресурсами при нетрадиционной добыче сланцевого газа доминировали в экологических дебатах вокруг газовой промышленности [2].

Это связано с тем, что современная наука зависит от понимания материи на молекулярном уровне. Будь то в области наук о жизни, материаловедения или науки об окружающей среде, ученые понимают, что ответы на их вопросы находятся на молекулярном уровне.

С молекулярной точки зрения многие объемные свойства воды еще недостаточно изучены. «Вода проста, но очень сложна», — сказал профессор Гочжэнь Ян в своем вступительном слове на Форуме наук о воде 2013 года, проходившем в Пекине. Это просто, потому что все знают, что вода — это H ₂ O, и многие ученые считают, что мы понимаем воду. Однако мы очень мало знаем о нем. Вода — это не просто молекула H ₂ O, а группа молекул H ₂ O, связанных водородными связями, и это самая загадочная материя в мире. Вода обладает многими аномальными свойствами. Например, никакие другие жидкости не обнаруживаются одновременно во всех трех фазах: газообразной, жидкой и твердой; вода испытывает отрицательное тепловое расширение ниже 4°C; вода замерзает с верхней поверхности; валентные колебания воды O–H длятся дольше при высоких температурах; горячая вода замерзает быстрее, чем холодная; в воде сосуществуют высокое поверхностное натяжение и малый поверхностный потенциал; в воде возникают аномальные эффекты магнитного и микроволнового излучения. Недавно было обнаружено, что вода более загадочна, когда ограничена границей раздела, поскольку свойства межфазной воды отличаются от свойств объемного состояния. Исследователи приложили много усилий для понимания межфазных свойств воды; однако мало что известно о границах раздела воды и структуре воды, когда она ограничена небольшими пространствами.

В последнее время наблюдается растущий интерес к науке о воде в связи с большим прогрессом в области теоретических и экспериментальных инструментов за последнее десятилетие, особенно на молекулярном уровне. Синхротронная рентгеновская спектроскопия третьего поколения выявила атомную и молекулярную структуру жидкой воды и льда. С помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) можно увидеть одиночные молекулы воды и кластеры воды на металлических поверхностях в вакууме при низкой температуре. Изображения структуры воды на электродах с высоким разрешением можно получить обычным способом с помощью электрохимической СТМ. Аппарат поверхностных сил и атомно-силовая микроскопия успешно использовались для измерения тонких взаимодействий между двумя твердыми поверхностями, погруженными в водные растворы. Генерация суммарной частоты исследует структуры различных поверхностей раздела воды на молекулярном уровне, а также сверхбыструю динамику поверхности. Чувствительность инфракрасной, терагерцовой спектроскопии и спектроскопии рассеяния нейтронов была улучшена для получения большого объема информации. На основе данных, полученных с помощью вышеупомянутых передовых методов и с помощью суперкомпьютеров, моделирование молекулярной динамики и квантовой механики может ответить на некоторые сложные вопросы об аномальном поведении воды.

Большинство аномальных свойств воды можно объяснить ее сетью водородных связей. В воде атом водорода притягивает соседний атом кислорода из другой молекулы воды. Это водородная связь, и ее прочность составляет около 23 кДж моль ^–1 , что в 5 раз превышает среднюю энергию флуктуаций теплового столкновения при комнатной температуре и намного больше, чем у ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Водородные связи на 90% электростатические и на 10% ковалентные; они не слишком слабые и не слишком сильные. Через сети водородных связей молекулы воды образуют водные кластеры. Эти кластеры воды не являются ни полностью упорядоченными, ни полностью неупорядоченными, и происходят быстрые динамические изменения; следовательно, структура жидкой воды сложна. Сети водородных связей прерываются поверхностными силами, что приводит к изменениям в структуре воды вблизи границы раздела. Вот почему поверхностная вода ведет себя иначе, чем ее объемное состояние.

Молекулярно тонкие водяные пленки существуют на границах раздела воздух/твердое тело, и образуются упорядоченные структуры, такие как «лед комнатной температуры» [4,5]. Что еще более удивительно, некоторые исследователи сообщили, что водные слои на гидрофильных поверхностях иногда ведут себя как гидрофобная поверхность, которую назвали «гидрофобной водой» [6]. Эти необычные свойства меняют традиционные представления о смачивании и трении, вдохновляя исследователей на разработку и изготовление новых материалов и устройств для управления водой. Эти молекулярные представления о поведении воды также влияют на химические процессы в атмосфере, эволюцию почвы и эрозию горных пород и могут обеспечить новые решения многих экологических проблем и изменений климата [7,8]. Традиционно катализ проводят в вакууме. В 21 веке исследования катализа стали проводить в атмосферных условиях, и ученые считают, что важную роль в катализе играют поверхностная и межфазная вода [9].]. Вода в ячейке имеет свойства, отличные от свойств воды в стакане, из-за тесноты и ограниченного пространства. Недавние открытия о структуре и динамике слоя гидратации воды вокруг белков и молекул ДНК позволяют лучше понять укладку белков и, следовательно, привести к лучшему дизайну лекарств. Кластеры воды участвуют во многих процессах биологического взаимодействия и не только воздействуют на биологические структуры, но и обеспечивают каналы для транспорта электронов и протонов [10].

Какие структуры образует молекула воды с соседними молекулами, остается загадкой и вызывает горячие споры. Неясно, как нарушаются сети водородных связей, если, например, молекулы воды находятся близко к поверхности или если среди них растворены другие молекулы. Свойства границ раздела вода/воздух в настоящее время обсуждаются, а совсем недавно наблюдение межфазных «нанопузырьков» с длительным временем жизни породило новые загадки при исследовании термодинамических равновесных состояний вода/газ. Механизм расщепления воды на поверхности светом, очень многообещающий способ получения солнечной энергии, до сих пор не ясен.

«Важность науки о воде зависит от точки зрения», — сказал профессор И. Рон Шен в своем выступлении на Форуме наук о воде. Он указал, что наука о воде на молекулярном уровне сложна и требует междисциплинарных знаний. Однако возникают трудности из-за отсутствия эффективных методов молекулярного уровня. Понимание таинственных свойств воды на молекулярном уровне требует теоретического и экспериментального сотрудничества, а сопоставление результатов с эффективными способами принести пользу обществу требует междисциплинарных исследований. Исследования в области науки о воде на молекулярном уровне — это новая дисциплина, и китайские ученые имеют возможность работать над междисциплинарными исследовательскими проектами.

Таким образом, понимание воды и знание того, как управлять водой на молекулярном уровне, предложит новые решения проблем нехватки воды и спасет Китай и мир. Фундаментальные и прикладные исследования водных ресурсов важны для построения экологически устойчивого мира.

Этот документ представляет собой сборник мнений, представленных на «Форуме наук о воде, Пекин, 4–5 июня 2013 г.». Авторы благодарят всех участников, особенно профессоров Гуочжэня Янга и И Рона Шэня.

1.

Вудхаус

Б.

.

Потребность энергии в водных ресурсах.

,

Отчет Конгрессу о взаимозависимости энергетической и воды

Министерство энергетики США

2.

VIDIC

RD

,

9636363636. и

9363963636369.

JM

и др. , 

Наука

,

2013

, том.

340

стр.

1235009

3.

Holt

JK

,

Park

HG

,

, et al. ,

Наука

,

2006

, том.

312

 (стр.

1034

—

7

)

4.

, 3

003

X-D

,

Оглетри

DF

, и др. ,

Наука

,

1995

, том.

268

 (pg. 

265

—

9

)

5.

Cardellach

M

, 

Verdaguer

A

, 

Santiso

J

, и другие. , 

J Chem Phys

,

2010

, том.

132

стр.

234708

6.

Мяч

П.

. ,

Nat Mater

,

2013

, vol.

12

стр.

289

7.

Verdaguer

A

,

SACHA

GM

,

Bluhm

H

и др. , 

Chem Rev

, 

2006

, том.

106

(стр.

1478

—

510

)

8.

Ewing

GE

. , 

Chem Rev

, 

2006

, том.

106

 (стр. 

1511

—

26

)

9.

Министерство энергетики США

.

Основные потребности в исследованиях: катализ для Energy

,

Технический отчет

,

2007

Bethesda, MD

Офис базовых наук о энергии

10.

. , 

Chem Rev

, 

2008

, vol.

108

 (стр. 

74

—

108

)

© Автор(ы), 2014 г. Опубликовано Oxford University Press от имени China Science Publishing & Media Ltd. Все права защищены. Для получения разрешений обращайтесь по электронной почте: [email protected]

. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/), которая разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы. для коммерческого повторного использования, пожалуйста, свяжитесь с [email protected]

Раздел выдачи:

ПЕРСПЕКТИВЫ

Скачать все слайды

Реклама

Цитаты

Альтметрика

Дополнительная информация о метриках

Оповещения по электронной почте

Оповещение об активности статьи

Предварительные уведомления о статьях

Оповещение о новой проблеме

Оповещение о текущей проблеме

Оповещение о теме

Получайте эксклюзивные предложения и обновления от Oxford Academic

Ссылки на статьи по телефону

• Последний
  

• Самые читаемые
  

• Самые цитируемые
  

Прогресс по антиферромагнитному топологическому изолятору MnBi ₂ Te ₄

Видообразование: данные геномной последовательности и биогеография видообразования

.