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.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Детальное изучение мозга чемпиона по памяти раскрыло нейробиологию его трюков

Рабочая память человека имеет свои физиологические ограничения. Исторически в когнитивной психологии этот предел описывался формулой «семь плюс-минус два элемента». Вы можете легко удержать в...

Эффект странника: как навыки ориентации в пространстве породили у человека геометрическое мышление

Со времен Платона геометрия считалась высшим проявлением абстрактного мышления. В диалоге «Менон» философ просит необразованного мальчика-раба удвоить площадь квадрата — и тот, опираясь...

Каньон Антилопы: почему он самый извилистый и фотогеничный в мире

В Аризоне, на землях индейцев навахо, находится место, любимое фотографами со всего мира. Каньон Антилопы вы наверняка хоть раз видели на заставке своего компьютера. Microsoft вносила его виды в...

Почему кофе и чай бодрят: взгляд с точки зрения науки

Вы когда-нибудь замечали, что после чашки кофе фокусировка внимания резко обостряется, но уже через полчаса ясность мысли начинает неумолимо угасать? Эти «американские горки» связаны с конкретными...

Как гора выше Эвереста остаётся невидимой: 75% высоты Мауна-Кеа скрыто океаном

Говоря о горных вершинах, достигающих наибольших высот, невозможно не вспомнить об Эвересте. Эта гора возносится в небо на 8848 метров над уровнем моря, и этот рекорд закреплён в школьных учебниках...