Ученые в США нашли доказательства того, что поверхность жидкой воды даже при комнатной температуре имеет структуру, которая по мере приближения к границе раздела вода-воздух все больше и больше напоминает лед. Филипп Гейсслер и Натан Одендал из Калифорнийского университета в Беркли, выполнено компьютерное моделирование неровной поверхности раздела между воздухом и водой и определили упорядоченные мотивы, которые, по их мнению, имеют много общего со льдом.
От атмосферы до легких человека многие из наиболее важных процессов на планете происходят на поверхности капли воды, что дает этому исследованию потенциальные последствия для физики, химии и биологии.
«Вещи, над которыми мы работали столько десятилетий, чтобы понять воду в ее объемной среде, просто становятся неверными на границах раздела», — сказал Гейсслер, который использовал моделирование для изучения воды на молекулярном уровне, недоступном в экспериментах. Спектроскопические измерения границы раздела воздух-вода дали неожиданные результаты, предполагающие наличие упорядоченных водородных связей на поверхности. Гайслеру и Одендалу было любопытно узнать о предыдущих симуляциях, которые предлагали лед в качестве точки отсчета для структуры межфазной воды, но они не думали, что эти результаты были окончательными. В результате они разработали способ более подробного поиска этих закономерностей.
Поиск структуры в беспорядке
Жидкая вода неупорядочена, поэтому исследователи знали, что структуры, которые они искали, будет трудно найти, поскольку они простираются всего на несколько молекул и погребены под шумом. У них была идея, что предыдущие исследователи упускали детали, потому что рассматривали интерфейс как плоскую плоскость, хотя на самом деле он мягкий и неровный. Работа над мягкими границами раздела воздух-вода была начата более 10 лет назад и выявила слои, параллельные поверхности, но Гайслер и Одендаль были первыми, кто использовал это для поиска связи со льдом.
Гайслер сказал, что был удивлен, когда Одендал показал ему первые результаты наложения границ раздела лед и вода-воздух. Они утверждают, что с дополнительной детализацией мгновенного интерфейса слои на поверхности воды можно разделить на подслои (см. Рисунок выше). Параллельные подслои являются особенностью базальной поверхности льда, и они представляют то, что, по убеждению дуэта, является поразительным сходством между этими слоями на границе раздела лед и вода-воздух.
Используя эти подслои в качестве точки отсчета, Гейслер и Одендаль сравнили ориентации молекул, зная, что это хорошо определено для тетраэдрических молекул воды во льду. Когда исследователи нанесли на карту предпочтительное направление кислородно-водородных связей вблизи поверхности воды, они заметили упорядочение, которое, как они снова утверждали, похоже, соответствует ледяной поверхности. Эти паттерны сохраняются для нескольких молекулярных диаметров, что больше, чем переходные тетраэдрические структуры, ожидаемые в объемной воде.
Нарушенная симметрия заставляет воду организовываться
Аргументируя их выводы, Одендал сказал: «Наличие гибкого интерфейса действительно вселило в нас уверенность, что это не просто пара случайных показателей. Если вы посмотрите на плотность, если вы посмотрите на ориентацию, если вы посмотрите на несколько слоев, просто все, на что мы смотрели, казалось, что совпадение есть».
Вода оказывается электрически мертвой на границах раздела
Однако интерпретация исследований по статистической механике жидкостей всегда вызывает споры. Продолжающиеся споры о границе раздела вода-воздух сводятся к фундаментальному вопросу о том, как определяется лед и можно ли сказать, что структура, которая простирается всего на несколько молекул, обладает кристаллоподобными свойствами. Размышляя об их результатах, Гайслер сказал: «Теперь у нас есть эта структурная точка отсчета для размышлений об этих структурных мотивах, и я думаю, что в конце концов это окажется очень полезным концептуальным инструментом».
Исследование описано в Журнал Американского химического общества.
