Представлена новая теория, объясняющая расширение воды при охлаждении.

Японский исследователь Масакадзу Мацумото (Masakazu Matsumoto) из Центра материаловедения Нагойского университета представил свою версию объяснения эффекта расширения воды при охлаждении.


«По словам теоретиков, в переохлажденной жидкости начинают появляться образования, структурно напоминающие лед; возрастание концентрации этих областей с низкой плотностью приводит к расширению, — говорит ученый. — Такой процесс легко представить, и объяснение выглядит правдоподобно. Экспериментаторы доверяют красивой и простой теоретической модели и трактуют результаты опытов в ее пользу». Строгого экспериментального подтверждения неоднородности структуры переохлажденной жидкости, впрочем, до сих пор не существует.

В своей предыдущей работе г-н Мацумото и его коллеги предложили новый метод анализа системы водородных связей воды. «Нам удалось выяснить, что по своей структуре переохлажденная жидкость соответствует мозаике, элементами которой служат витриты — структуры, напоминающие многогранники», — рассказывает исследователь. Все обнаруженные формы витритов авторы собрали в специальной базе данных.



Витриты, наиболее часто встречающиеся в охлажденной воде. Молекулы воды показаны в виде шариков, а водородные связи заменены линиями. (Иллюстрация из The Journal of Chemical Physics.)



«Структуру молекулярной сети воды можно представить на примере губки для мытья посуды или мыльной пены, — продолжает Масакадзу Мацумото. — Только у отдельных структурных элементов нет мембран — остались только «ребра» (связи); четыре связи встречаются в одном узле, и образуется трехмерная сеть произвольной конфигурации. Как показал в XIX веке Плато, при пересечении четыре мыльные пленки образуют четырехгранный угол Маральди [около 109˚]; аналогичный процесс мы можем наблюдать в случае водородных связей».

Ученый провел компьютерное моделирование трех возможных механизмов изменения объема элементов сети: удлинения связей, варьирования величины угла их пересечения и изменения топологии сети. Как выяснилось, первый процесс приводит к термическому расширению, второй — к противоположному результату, а третий не оказывает заметного влияния на объем. «Таким образом, уменьшение объема при повышении температуры происходит за счет отклонения величины четырехгранного угла от стандартного значения, — заключает г-н Мацумото. — При этом уменьшение объема имеет всеобщий характер: фактор разнообразия локальных структур можно не учитывать».

Представить экспериментальное подтверждение теории японского исследователя в ближайшее время, скорее всего, не удастся, однако автор надеется на то, что полученные им результаты заставят его коллег задуматься об альтернативных объяснениях особенностей воды и по-новому взглянуть на данные опытов.


Источник: science.compulenta.ru