Физические механизмы активации радикальных реакций в водных растворах под механическим и магнитным воздействием – проблема синглетного кислорода Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Физические механизмы активации радикальных реакций в водных растворах под механическим и магнитным воздействием - проблема синглетного кислорода

Г.А. Ляхов1, В.И. Манько2, Н.В. Суязов1, М.А. Шерменева1, И.А. Щербаков1

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Россия, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38 2- Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН. Россия, 119991 Москва, Ленинский проспект, 53

e-mail: [email protected]

Анализируемый пример - генерация в воде пероксида водорода. Молекулы H2O2 биологически активны. Они «гидрофильней» H2O (на 2 акцептора водородной связи больше) и, следовательно, кластеризуемы. Последние эксперименты проведены с насыщением раствора кислородом в поле вибраций [1] и в магнитном поле [2]. Ключевой пункт принятой нами кинетической схемы реакций [3] связан со спиновым запретом реакций: супероксид O2-^ образуется присоединением электрона только к синглетному кислороду Ю2 с нулевым спином, но не к триплетому 3O2 в основном, сильно заселенном состоянии.

Выведена общая система термо-, гидродинамических и квантовых уравнений, описывающих эксперименты по генерации H2O2 в водном растворе под внешними нестационарными воздействиями. Ее анализ выделил следующие механизмы преодоления спинового запрета:

(i) для магнитного воздействия решение этой задачи известно [4] - магнитное поле расщепляет основной триплетный уровень на три подуровня, средний из них имеет спин, равный нулю;

(ii) вибрационное воздействие вызывает движение раствора, в замкнутом объеме преимущественно вихревое; увлекаемые течениями, в том числе турбулентными, молекулы O2 с большим магнитным диполем сами создают магнитное поле, «внешнее» для ближайших молекул

O.2 [5];

(iii) столкновения молекул за время проведения экспериментов [1, 2] устанавливают равновесное больцмановское распределение по энергиям; заселенность синглетного уровня может оставаться очень малой, однако, и значения концентрации генерируемого H2O2 в [1, 2] невысоки, < 10 нмоль;

(iv) вклад в покрытие большого синглет-триплетного дефекта энергии (0.98 эВ (11300 К)) может внести кавитация; локальный больцмановский фактор сильно изменяется - при акустической (сотни Гц) кавитации - давление и температура могут возрастать на несколько порядков.

В это перечисление входят и два новых квантовых эффекта:

(v) динамический эффект Казимира, открытый с использованием механического воздействия [6], и что важно для нашей задачи, имеющий гидродинамический аналог [7];

(vi) эффекты сильной частотной модуляции, предсказанные для коррелированных когерентных состояний фотонов [8]; математически они близки классическим вибрациям; развитие этой связи в в задаче со спиновыми магнитными диполями - это новая интересная задача.

[1] S. V. Gudkov, N. V. Penkov, I. V. Baimler, G. A. Lyakhov, V. I. Pustovoy, A. V. Simakin, R. M. Sarimov, and I. A. Scherbakov, Effect of mechanical shaking on the physicochemical properties of aqueous solutions, Int. J. Mol. Sci. 21 , 8033 (2020).

[2] R. M. Sarimov, A.V. Simakin, T.A. Matveeva, S.V. Gudkov , G.A. Lyakhov, V. I. Pustovoy, A. V. Troitskii, and I. A. Shcherbakov, Influence of Magnetic Fields with Induction of 7T on Physical and Chemical Properties of Aqueous NaCl Solutions, Appl. Sci. 11, 11466 (2021).

[3] V. I. Bruskov, Zh. K. Masalimov, and A. V. Chernikov, Heat-induced formation of reactive oxygen species by reduction of dissolve air oxigen, Dokl. Akad.Nauk. 381 (2), 262-264 (2001).

[4] A.L. Buchachenko, R. Z. Sagdeev, K.M. Salikhov, Magnetic and Spin Effects in Chemical Reactions (Nauka, Novosibirsk), гл. 1-3 1978).

[5] S.V. Gudkov, G.A. Lyakhov, V.I. Pustovoy, and I.A. Shcherbakov, Vibration-Vortex Mechanism of Radical-Reaction Activation in an Aqueous Solution: Physical Analogies, Phys. Wave Phen. 29(2), 108-113 (2021).

[6] C. M. Wilson, G. Johansson, A. Pourkabirian, M. Simoen, J. R. Johansson, T. Duty, F. Nori, P. Delsing, Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit, Nature, 479, 376 - 379 (2011).

[7] A.S. Larraza, B. Denardo, An acoustic Casimir effect,. Phys. Lett. A,. 248 (2-4): 151 - 155 (1998).

[8] V.V. Dodonov, E.V. Kurmyshev, V.I. Man'ko, Generalized uncertainty relation and correlated coherent states, Phys. Lett. A 79 (2-3), 150152 (1980).