«Её молекулы ведут себя очень необычно»: физик — об уникальных свойствах воды
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Недавно учёные открыли лёд XXI — новую, ранее неизвестную форму воды. Лёд был получен под огромным давлением при комнатной температуре. Что значит это открытие для науки?
— Лёд XXI помогает исследовать поведение воды в экстремальных условиях, таких как недра ледяных планет, где действуют высокие давления. Эти знания важны для планетологии и физики: они помогут разобраться, как устроены небесные тела. Исследование показало, как современные рентгеновские лазеры позволяют «заглядывать» в глубину вещества и видеть его структуру. Развитие научных инструментов и методов наблюдения помогло учёным открыть нечто новое, казалось бы, в самом знакомом веществе — воде.
Открытие льда XXI — подтверждение тому, и это далеко не последнее крупное открытие в данной области. Вода снова и снова удивляет учёных своей сложностью и множеством нераскрытых тайн.
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Ранее учёные из разных стран открывали новые формы льда. Хотя, казалось бы, вода достаточно простое химическое соединение. Почему, в отличие от многих других веществ, её молекулы могут «упаковываться» в разнообразные кристаллические структуры?
— На первый взгляд, вода — простое вещество, но её молекулы ведут себя очень необычно. Каждая молекула может образовывать связи сразу с четырьмя соседними, и эти связи гибкие и подвижные. Поэтому при разных температурах и давлениях молекулы воды могут «укладываться» по‑разному, создавая множество кристаллических структур. В этом и кроется причина существования большого числа разновидностей льда.
Фазовый переход: российские учёные исследовали особое состояние воды — аморфный лёд
Подобное встречается и у других веществ, например у диоксида кремния или углекислого газа, но именно вода обладает самым богатым набором форм. Учёные открыли уже 21 кристаллический тип льда, а также несколько аморфных, то есть неупорядоченных форм. Такое разнообразие делает воду одним из самых удивительных и сложных веществ на Земле.
— Почему исследования в этой области важны? Есть ли какое-то практическое применение?
— Разумеется, двигателем развития науки является не только любопытство. Вода — одно из самых распространённых веществ во Вселенной, и понимание того, как она ведёт себя в разных условиях, помогает лучше объяснить устройство планет и спутников. Например, внутри Нептуна или Урана могут существовать такие необычные виды льда, знание свойств которых позволит моделировать внутреннее строение этих планет. Кроме того, исследования экстремальных состояний воды дадут новые идеи для создания материалов, устойчивых к высокому давлению и температуре. Учёные также используют эти данные, чтобы совершенствовать технологии опреснения, хранения энергии и даже разработки новых холодильных систем. Открытие каждой новой формы воды помогает нам понять, как устроена природа на самых разных уровнях — от молекул до планет.
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Расскажите, пожалуйста, о тяжёлой воде. Почему её нельзя получить в результате многократного кипячения обычной воды?
— Тяжёлая вода отличается составом: в ней атом водорода заменён его тяжёлым изотопом — дейтерием. Такая замена делает молекулу тяжелее, отсюда и название.
Мониторинг гроз: российские учёные сгенерировали и изучили молнии в лабораторных условиях
При кипячении обычной воды содержание дейтерия не меняется: изотопы не превращаются друг в друга и не «концентрируются» при нагревании, поэтому получить тяжёлую воду таким способом невозможно. Её выделяют промышленно — методом электролиза или дистилляции, где используется разница в скоростях испарения и реакции изотопов. Различают лёгкую воду (H₂O), тяжёлую (D₂O) и полутяжёлую (HDO), где сочетаются оба вида атомов. Тяжёлую воду применяют в ядерных реакторах и научных исследованиях, но живым организмам пользы она не принесёт.
— В обществе очень популярна идея «структурированной» воды. Существуют даже коммерческие приборы, которые якобы придают воде особую, «целебную» структуру. Как на всё это смотрит наука?
— Идея «структурированной» или «заряженной» воды звучит красиво, но научных подтверждений тому мне не известно. Молекулы воды действительно могут соединяться в небольшие группы за счёт водородных связей, но эти связи живут всего триллионные доли секунды, постоянно рвутся и образуются заново. Даже если её «магнитить», «вихрить» или «озарять кристаллами», через мгновение всё вернётся к обычному состоянию. Современные спектроскопические и рентгеновские исследования показывают: структура воды одинакова независимо от таких воздействий. А польза, о которой говорят рекламные буклеты, связана скорее с эффектом плацебо.
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Не менее популярна легенда о «памяти» воды. На неё, к примеру, опирается гомеопатия — якобы вода способна «записывать» и передавать информацию. Как вы прокомментируете это с научной точки зрения?
— Идея о «памяти» воды основывается на том, что будто её молекулы способны «запоминать» информацию о веществах, которые когда‑то в ней были, даже если от них ничего не осталось. Однако с научной точки зрения это невозможно. Как я уже говорил, структура воды постоянно меняется: связи между молекулами возникают и разрываются триллионы раз в секунду, никакой устойчивый «записанный» порядок сохраниться не может. Эксперименты, якобы доказывавшие наличие «памяти» у воды, никому не удалось повторить при строгом контроле, а это важнейшее условие научной достоверности.
«Частицы-призраки»: российский физик — об изучении нейтрино
Гомеопатические разведения настолько велики, что в них не остаётся исходного вещества — лишь обычная вода и сахар. Современная физика и химия не находят механизма, с помощью которого вода могла бы хранить или передавать информацию. Поэтому «память» воды остаётся красивым мифом, но не научным фактом.
— Вода — основа жизни на Земле. Почему именно вода, а не какое-то другое соединение играет ключевую роль для живых клеток, если мы размышляем о планетах, где жизнь могла бы возникнуть по иному сценарию? Почему астрономы ищут в космосе планеты, на которых есть вода, в надежде, что там может быть жизнь?
— Вода уникальна по своим свойствам. И неслучайно жизнь на Земле возникла с её участием. Вода — универсальный растворитель: в ней могут происходить тысячи химических реакций, необходимых живым клеткам. Вода способна удерживать тепло, смягчать перепады температур, а в твёрдом виде (лёд) она легче жидкости и не опускается на дно, обеспечивая защиту обитателям водоёмов зимой. Молекула воды имеет полярную структуру, поэтому легко образует связи с другими веществами и помогает им взаимодействовать. Другие жидкости, например аммиак или метан, учёные также рассматривали как возможную «основу» иной жизни. Но они намного менее стабильны и активны. Поэтому когда астрономы ищут внеземную жизнь, они в первую очередь ищут именно воду: где есть жидкая вода, там могут происходить процессы, подобные земным, а значит — есть шанс найти живые организмы.
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Какие научные загадки, связанные с водой, остаются нерешёнными? Какие фундаментальные задачи стоят перед учёными в области изучения воды?
— Хотя вода кажется самым обычным веществом, она до сих пор полна загадок. Учёные ещё не до конца понимают, почему вода проявляет столько необычных свойств: расширяется при замерзании; имеет наибольшую плотность при +4 °C, а лёд плавает. Примечательно её поведение при очень низких температурах — переохлаждённая вода, которая может оставаться жидкой даже ниже нуля. Также не вполне ясно, почему при особых условиях вода может иметь фазу с большей относительно привычной плотностью. Учёных интересует, как устроены водородные связи в больших и малых масштабах, как вода взаимодействует с белками и мембранами живых клеток.
Эти вопросы важны не только для физики, но и для биологии, медицины и космохимии. Каждая новая находка показывает, что даже самая привычная жидкость на Земле остаётся одной из величайших тайн природы.
