CC BY
21Формирование кластерных структур в приповерхностных слоях воды
В.И. Шостка, Н.В. Шостка, В.В. Вершицкий
Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского
vshostka@yandex.ru
Аннотация. В работе применены оптические методы исследования трансформаций, происходящих в структуре приповерхностных слоев воды, т.к. она представляет собой неупорядоченную жидкость, водородные связи в которой являются короткоживущими. Исследованы кластерные структуры, образующиеся в воде, и предложен возможный механизм их формирования.
Ключевые слова: кластеры, кластерная структура воды, ассоциаты.
Благодаря межмолекулярным водородным связям, вода имеет ассоциативную структуру, состоящую из огромного количества метастабильных состояний. Структура воды определяется наличием водородных связей и образованием гидратированных ионов. Отдельные молекулы, соединенные водородными связями, объединяются в ассоциаты или кластеры, размеры которых зависят от разных условий, прежде всего, от температуры [1]. Считается, что время существования устойчивых нанокластеров в объемной фазе воды не превышает 0,01 наносекунды [2]. Попадая из объемной фазы в при поверхностный слой, короткоживущие кластеры стабилизируются в ней, и время их жизни существенно возрастает. Стабилизация кластеров в приповерхностном слое воды может быть связана с высокой структурной упорядоченностью слоя. По мере удаления от поверхности раздела вглубь жидкости степень упорядоченности понижается и, наоборот, на некотором расстоянии от поверхности упорядоченность соответствует состоянию жидкости в объемной фазе [3].
Целью данной работы является применение оптических методов исследования изменений структуры воды, как неупорядоченной жидкости, которая несмотря на то, что водородные связи в ней являются коротко живущими, способна к самоорганизации вследствие образования новых водородных связей и кооперативных эффектов.
Одним из важных свойств поверхностного слоя воды является изменение коэффициентов прохождения и преломления лазерного излучения, благодаря которым появляется возможность «видеть» кластеры, определять их размеры и количество [2]. Вода и водные растворы имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям, особенно влияют температурные факторы. Поэтому для их адекватного изучения необходимы неразруша-ющие методы исследования.
В работе применен метод лазерной интерферометрии, особенность которого заключалась в использовании амплитудно-фазовой модуляции расширенного лазерного пучка при прохождении через слой капли воды, позволяющий рассматривать процессы формирования и изменения кластерной структуры в приповерхностном слое воды [4,5]. В результате проделанной работы впервые при комнатной температуре были зафиксированы устойчивые кластерные структуры и ассоциаты в приповерхностном слое воды, а также предложены возможные механизмы их образования [5,6], некоторые из которых приведены на рис.1-3:
Рис. 1. Структура и возможные модели ассоциатов (кластеров), формирующихся в приповерхностном слое дважды очищенной воды Н1105 (а) и Н21О10 (б).
Рис. 2. Структура ассоциатов (кластеров) в приповерхностном слое дважды очищенной воды НО,
Рис. 3. Структура и крокетный механизм формирования ассоциатов (кластеров) в приповерхностном слое воды.
Полученные структуры кластеров дважды очищенной воды достаточно убедительно свидетельствуют в пользу того, что в приповерхностном слое жидкой воды присутствуют весьма устойчивые кластерные состояния. Подтверждено и наглядно показано, что вода обладает уникальными свойствами, которые связаны с наличием порядка в ее разнообразных кластерных состояниях. Кластеры в зависимости от содержания молекул образуют ассоциаты различной формы.
[1] В.И. Ролдугин, Фрактальные структуры в дисперсных системах, Успехи химии, т. 72, № 10, с.931-959,(2003).
[2] А.К. Запольский, Е.Д. Першина, А.И. Герасимчук, К.А. Каздобин, Современные представления о структуре и электропроводно- сти воды, Науково - техычы вкл, № 3(13), с.24-40,(2013).
[3]С.В. Зенин, Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды // Журнал физ. химии. т. 68, с.634-641,(1994).
[4] В.И. Шостка, Н.В. Шостка, И.Л. Доненко, Формирование кластерных структур в воде, сборник: Взгляд молодых на проблемы региональной экономики, Материалы Всероссийского открытого конкурса студентов вузов и молодых исследователей, с. 41-44, (2017).
[5] В.И. Шостка, Н.В. Шостка, И.Л. Доненко, Визуализация кластерной структуры воды с помощью лазерного излучения, Вестник Физико-технического института Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского, т.1, №3, с.44-52,(2017).
[6] В.И.Шостка, Н.В.Шостка,В.В.Вершицкий, Визуализация кластерной структуры воды в при поверхностном слое при возбуждении лазерным излучением, Мат. межд. конф. "Digital Singular Optics: Applications and Fundamentals" (DSOAF'2018), с.50-51,(2018).
