Российские физики сделали сенсационное открытие, объясняющее аномальные свойства воды, связанное с сегнетоэлектрическим фазовым переходом. Это исследование, опубликованное в Russian Journal of Physical Chemistry A, открывает новые горизонты для разработки вычислительных моделей водных растворов, что особенно актуально в области биологии, химии и физики.
Научная работа была инициирована коллегами из МФТИ в начале 2000-х годов с целью улучшения компьютерного моделирования лекарств. Их исследование дало толчок к значительному изменению понимания молекулярного взаимодействия в воде. Учёные разработали особую «векторную модель полярных жидкостей», которая предсказала наличие второго рода фазового перехода в переохлаждённой воде при температуре около 30-40 °C.
Новые горизонты молекулярной динамики
При приближении к этим критическим температурам наблюдается рост флуктуаций, влияющих на такие характеристики, как плотность. Это и объясняет, почему вода достигает максимальной плотности при 4 °C.
Профессор Леонид Меньшиков из МФТИ отметил, что учёные пересмотрели значимость диполь-дипольного взаимодействия между молекулами воды. В отличие от традиционного понимания этого взаимодействия как короткодействующего, исследование показало, что оно гораздо более длинное, чем предполагалось ранее. Предположение о том, что возможный переход должен происходить только при экстремально высоких температурах, оказавшихся малыми, было опровергнуто через сравнение с кулоновским взаимодействием в плазме.
Практическое применение исследований
Учёные применили два разных математических подхода, чтобы подтвердить свои выводы. Они использовали модель «желе» и метод кольцевых диаграмм, основанный на физике плазмы, и получили формулы для температуры сегнетоэлектрического перехода в зависимости от содержания полярных растворителей в водных растворах.
Текущие эксперименты, предложенные для проверки теории, включают использование ацетона в нанопористых материалах. Это позволяет исследовать, как молекула ацетона усиливает дипольный эффект, не изменяясь при взаимодействии с водой. Пористый материал также способствует сохранению состояния жидкости при низких температурах.
Это скепсис по поводу традиционных представлений о взаимодействии молекул может привести к созданию универсальной теоретической модели, объясняющей все аномальные характеристики воды. Учёт дальнодействия взаимодействия откроет новые возможности для компьютерного моделирования в биологии и химии, включая возможные разработки новых материалов и сенсоров.
В исследовании участвовали эксперты не только из МФТИ, но и из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.
