Ученые в Японии продемонстрировали, что вода в жидком состоянии имеет не одну, а две разные молекулярные структуры — одну тетраэдрическую и одну нететраэдрическую.
Это открытие, по их словам, может иметь значение для нашего понимания живых систем, которые полагаются на жидкую воду.
Вода является важнейшей жидкостью на Земле, поскольку она не только играет жизненно важную роль в живых системах, но также оказывает значительное влияние на нашу повседневную жизнь от различных промышленных применений до климатической системы Земли.
У нас очень насыщенная водой планета по сравнению с остальной частью Солнечной системы. Мы купаемся в воде, мы пьем воду и мы по большей части состоим из воды. Вся жизнь на Земле зависит от воды. Тем не менее, сама вода — старый добрый монооксид водорода — действительно необычный материал.
Например, у воды странная плотность. Большинство жидкостей становятся более плотными при охлаждении, в результате чего в твердом состоянии они более плотные, чем в жидком. Однако максимальную плотность вода достигает при температуре примерно 4 градуса по Цельсию.
По мере дальнейшего снижения температуры она становится менее плотной, поэтому в точке замерзания — около 0 градусов Цельсия — лед менее плотный, чем жидкая вода, и будет плавать на поверхности.
Кроме того, вода обладает необычно высоким поверхностным натяжением, уступая только жидкой ртути; ее точки плавления и кипения необычно высоки; и то, что в ней растворяется так много других химических веществ, также очень странно.
В 2018 году ученые из Великобритании и Японии продемонстрировали, что эти специфические свойства связаны с тетраэдрическим расположением молекул воды в жидкой форме. Это означает, что каждая молекула воды связана водородом с четырьмя другими в форме грубой пирамиды.
Но все же, как упорядочена структура, она остается предметом обсуждения. Одна модель предполагает, что молекулярная структура воды является унимодальной — это тетраэдры по всей структуре. Другой предлагает, что структура может быть бимодальной, состоящей из двух фигур — тетраэдров и чего-то еще.
Чтобы попытаться решить эту проблему, ученые из Токийского Университета провели компьютерное моделирование, а также провели эксперименты с жидким кремнеземом, одной из немногих жидкостей, о которой известно, что она также имеет тетраэдрическую молекулярную структуру.
Эти эксперименты были основаны на дифракции рентгеновских лучей. То, как эти короткие волны рассеивают атомы в молекулах в жидкости, можно использовать для определения расположения этих молекул.
В частности, ученые смотрели на пики в дифракции. И они обнаружили, что два перекрывающихся дифракционных пика были скрыты в том, что было похоже на первый дифракционный пик.
Один из этих пиков соответствовал расстоянию между атомами кислорода в обычных жидкостях. Исследователи смогли показать, что другой метод был более последовательным, поскольку в тетраэдрических молекулярных структурах расстояние между атомами кислорода больше
«Мы показываем первые четкие численные доказательства в структурном факторе динамического сосуществования двух типов локальных структур … подтверждающих описание жидкой воды в двух состояниях», — пишут исследователи в своей статье.
Полученные результаты не только дают жизненно важные подсказки для урегулирования давней полемики о структуре воды, но также позволяют прямой экспериментальный доступ к фракции тетраэдрических структур в жидкой воде.
Ученые считают, что открытие может иметь значение для молекулярной биологии, химии и фармакологии, а также для промышленного применения. Исследование было опубликовано в журнале Journal of the American Chemical Society.