Ученые объяснили аномальные по сравнению с большинством жидкостей свойства воды структурой ее молекулы и связями, которые образуются между ними. Компьютерные симуляции подтвердили, что особые свойства появляются у жидкостей с выстроенными в тетраэдр молекулами, а вода как раз представляет такое вещество. Статья с результатами опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Вода обладает целым набором редких физико-химических свойств, что делает ее уникальной жидкостью. Некоторые из этих качеств ученые до сих пор не могут полностью объяснить. Например, максимальная плотность воды при атмосферном давлении достигается при 4 °C, благодаря чему водоемы не промерзают до дна зимой. Также она становится менее вязкой под давлением и обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Саму молекулу воды можно изобразить в виде тетраэдра с ионом кислорода в центре, парой водородов в двух вершинах и еще двумя парами не валентных электронов в двух других. Такая организация электронной плотности позволяет воде образовывать слабые водородные связи с четырьмя окружающими молекулами.

Структура молекулы воды. Thebiologyprimer/Wikimedia Commons

В новой работе ученые из Бристольского и Токийского университетов с помощью компьютерных моделей изменяли структуру воды и межмолекулярных связей, что позволило избавиться от всех особенных свойств.

«Мы обнаружили, что аномальное поведение воды обусловлено конкретным расположением молекул в виде тетраэдра, когда одна молекула соединена водородными связями с четырьмя другими, расположенными в вершинах тетраэдра, — поясняет британец Джон Руссо. — Одна молекула может входить в четыре подобные тетрагональные структуры, причем они не будут перекрываться. Именно такое высокоорганизованное расположение совместно с неупорядоченными расположениями наделяет воду исключительными свойствами».

Поведение подобных жидкостей описывается моделью с потенциалом в виде прямоугольной ямы. В рамках этого подхода считается, что жидкость состоит из смеси двух фаз в состоянии термодинамического равновесия: неупорядоченной с вращательной симметрией и упорядоченной тетрагональной, для которой не характерна такая симметрия. Несмотря на простоту, эта модель точно описывает аномальные свойства. В модели есть параметр межмолекулярного взаимодействия λ, при увеличении которого также повышается доля упорядоченной фазы. Именно этот параметр изменялся в новой работе. Также оказалось, что наибольшее количество особых свойств достигается при определенном значении λ, как раз характерном для воды — 23,15. При дальнейшем увеличении свойства жидкости становились более похожи на обычные вещества.