Российские физики сделали значительное открытие, продемонстрировав, что аномальные характеристики воды могут быть объяснены новым сегнетоэлектрическим фазовым переходом. Это открытие предоставит новые возможности для разработки вычислительных моделей водных растворов, что особенно актуально для исследований в биологической, химической и физико-химической областях.
Результаты исследования были опубликованы в Russian Journal of Physical Chemistry A. Научная работа стартовала в начале двухтысячных, когда коллектив ученых из МФТИ и их коллеги начали улучшать компьютерное моделирование лекарств, что привело к глубокому переосмыслению молекулярных взаимодействий в воде.
Новая модель и прогнозы
Созданная исследователями векторная модель полярных жидкостей предсказывает существование второго рода фазового перехода в переохлажденной воде, который происходит в диапазоне температур 30-40 °C. На приближении к границам фазовых переходов наблюдаются флуктуации, влияющие на физические характеристики вещества, такие как плотность. Вода демонстрирует максимальную плотность при 4 °C именно из-за этих флуктуаций.
Долговременное взаимодействие молекул
В ходе исследования ученые пересмотрели понимание взаимодействия диполь-диполь между молекулами воды, ранее считавшееся короткодействующим. Они продемонстрировали, что это взаимодействие на самом деле дальнодействующее, что позволяет предсказать сегнетоэлектрический переход в жидкой воде при температуре около -38 °C. Это открытие было подтверждено совместными экспериментами с российскими учеными Г. С. Бордонским и А. О. Орловым.
Для подтверждения своих теорий физики использовали две разные модели, которые в итоге вывели формулы для температуры перехода и ее зависимости от концентрации водного раствора с полярными растворителями. В частности, предложен контрольный эксперимент с водным раствором ацетона, который усиливает эффекты благодаря дипольному моменту и позволяет изучить свойства в нанопористых материалах.
Это исследование открывает двери к созданию единой теоретической основы для объяснения аномальных свойств воды. Акцент на дальнодействии диполь-дипольного взаимодействия может улучшить модели, используемые в биологии, такие как расчет взаимодействий белков и лекарств в жидких водных растворах. Возможность регулирования температур сегнетоэлектрического перехода может также привести к созданию новых материалов и сенсоров, пишет Naked Science.
