Аномалии воды: квантовая модель объясняет её поведение в экстремальных условиях

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Вода — вещество, настолько привычное, что мы редко задумываемся о его необычайности. Мы пьём её, моемся ею, используем в бесчисленных процессах, от приготовления пищи до охлаждения ядерных реакторов. Но за этой повседневностью скрывается сложная и до конца не разгаданная физическая картина. Уникальные свойства воды, её аномалии, делают её не просто жидкостью, а основой жизни и ключом к пониманию множества природных явлений.

Долгое время учёные пытались разделить сложный «характер» воды на составляющие, понять, как взаимодействие молекул H₂O приводит к таким необычным эффектам, как высокая теплоёмкость, аномальное расширение при замерзании и уникальная поверхностное натяжение. Но до сих пор полной и всеобъемлющей теории, объясняющей все эти аномалии, не существовало.

Аномалии воды, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Недавно группа исследователей из Барселонского университета под руководством Джанкарло Францезе и Луиса Энрике Коронаса предложила новый теоретический подход, который может стать прорывом в понимании физики воды. Их модель, получившая название CVF (по инициалам фамилий учёных), основана на квантовых расчётах ab initio, что позволяет с высокой точностью воспроизводить термодинамические свойства воды в широком диапазоне условий.

Ключевым открытием, сделанным с помощью модели CVF, стало существование критической точки между двумя жидкими формами воды. Именно эта точка, по мнению исследователей, является источником всех аномалий, делающих воду такой необычной. Важно подчеркнуть, что сама идея о существовании двух жидких фаз воды не нова, однако модель CVF подкрепляет её квантово-механическими расчётами, учитывающими сложные многочастичные взаимодействия между молекулами воды. Это принципиальное отличие от предыдущих моделей, которые не могли в полной мере учесть квантовую природу водородных связей.

Модель CVF позволяет проследить, как квантовые взаимодействия влияют на флуктуации плотности, энергии и энтропии воды, от нано- до макроуровня. Это открывает новые перспективы для понимания роли воды в биологических процессах. Например, вода активно участвует в регуляции обмена веществами и влияет на конформацию белков и нуклеиновых кислот.

Вода в бассейне
Автор: Mercado Viagens from Brasil Источник: commons.wikimedia.org

Но значение модели CVF выходит далеко за рамки фундаментальной науки. Она может стать мощным инструментом для разработки новых технологий. Уже сегодня ведутся исследования по созданию искусственных мышц на основе воды, сверхъемких устройств памяти и высокоэффективных систем очистки воды, использующих уникальные свойства водных наноструктур.

Конечно, модель CVF — это не окончательный ответ на все вопросы, связанные с физикой воды. Она имеет свои ограничения, особенно при моделировании экстремальных условий. Однако, именно эти ограничения указывают направления для дальнейших исследований и приближают нас к созданию полной и всеобъемлющей теории, способной объяснить все тайны этой удивительной жидкости.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Астрономы обнаружили девять «галактик-утконосов» с характеристиками, которые ставят под сомнение наше понимание процесса формирования вселенной

Астрономы Университета Миссури, анализируя данные телескопа «Джеймс Уэбб», идентифицировали девять объектов, само существование которых противоречит текущим космологическим теориям.

Почему реки не разгоняются до 600 км/ч? Гидродинамическое расследование о пропавшей энергии

Теоретически энергия падения с 1,5 км должна разгонять реки до 600 км/ч. В реальности скорость потока — всего 2 км/ч. Разбираемся с точки зрения гидродинамики, какие силы «съедают» 99% энергии.

Дефицит трансформаторов: почему энергетика стала узким местом цифровой экономики

В начале 2024 года выступая на ежегодной конференции Bosch Connected World, посвященной промышленному интернету вещей (IIoT), искусственному интеллекту, энергетической инфраструктуре и цифровизации...

Как пользоваться общественным транспортом в Шанхае?

Шанхай настолько огромный, что мне при планировании своего путешествия пришлось отдельно выделить пару дней, чтобы спланировать, как я буду перемечаться между достопримечательностями. Поэтому...

Обзор смартфона Poco M8 Pro 5G: большой бюджетник с емким аккумулятором

Poco M8 Pro 5G — новый смартфон их бюджетной линейки производителя. Оснащён большим 6.83 дюймовым AMOLED-экраном с 1,5К разрешением, основной 50 МП матрицей камеры с оптической...