CC BY
15Ионная динамика спиновой конверсии изомеров воды
Serge Kernbach
CYBRES GmbH, Research Center of Advanced Robotics and Environmental Science, Stuttgart, Germany
Пара- и орто-изомеры воды обладают различными физическими и химическимисвойствами [1]: химической активностью, поведением в электрическом поле, магнитным моментом, вязкостью и поверхностным натяжением, скоростью испарения [2] и рядом других свойств. Интерес к изомерам воды объясняется их особенностями: они проявляют себя как разные виды молекул, изменяют квантовые спиновые состояния при взаимодействии с другими молекулами, имеют низкую энергию спиновой конверсии. Когда орто-/пара-равновесное состояние 3:1 отклоняется к неравновесному, пробы воды демонстрируют различные физические и химические изменения Например, электрохимическая реакционная способность пара - и орто -изомеров различается примерно на 24% [3], поэтому образцы воды в неравновесном спино вом состоянии будут демонстрировать различную ионную динамику в химических и биохимических реакциях. Большинство экспериментов по спиновой конверсии проводится в газовой фазе; ожидается, что льдоподобные структуры в воде [4] будут способствовать долговреме нному неравновесному состоянию 1: 1 орто-/пара-изомеров также и в жидкой фазе. По данным ряда авторов [5], спинов конверсия в жидкой воде наблюдалась в условиях слабого электрического и магнитного полей, гидродинамической кавитации, лазерного излучения и других воздействующих факторов. Поскольку спиновые состояния являются квантовыми объектами, некоторые необычные эффекты, такие как спин-спиновые взаимодействия или макроскопическая запутанность, также могут наблюдаться в водных системах. Зависимость спиновых состояний от макроскопических физических и химических процессов может служить основой для создания квантовых сенсоров и преобразователей.
Обнаружение спиновых изомеров проводят оптическими, электрохимическими или физическими методами. В частности, к физ ическим методам относятся измерения
кинематической вязкости, скорости испарения и эффектов поверхностного натяжения. Электрохимические методы основаны на различной химической активности изомеров. Например, поглощение CO2 и O2 из атмосферы порождает цепь эл ектрохимических реакций, ионные продукты которых можно измерить с помощью электрохимическо й импедансной спектроскопии (ЭИС). Значительные изменения наблюдаются в спектрах низкочастотной ЭИС (и оптических УФ спектрах поглощения) в образцах, подвергшихся воз действию слабого магнитного поля [6], что можно объяснить различной ионной реактивностью, вызванной спиновой конверсией. Эта презентация обобщает экспериментальные результаты по
электрохимическим методам и спиновым изомерам воды, и необычным фотонным (свет -материя) и магнитным (Раби) явлениям в системе электрохимических квантовых осцилляторов основанных на спиновой конверсии. Автор обсуждает потенциально различную теплоемкость изомеров и приводит экспериментальные свидетельства этой гипотезы.
[1] V.I. Tibonov and A.A. Volkov. Separation of water into its ortho and para isomers. Science296(5577):2363-2363, 2002
[2] S. Poulose et al., Evaporation of water and urea solution in a magnetic field; the role of nuclear isomers, Journal of Colloid and Interface Science, 629B, 814-824, 2023
[3] A. Kilaj et al. Observation of different reactivities of para-and ortho-water towards cold diazenylium ions. Nat Commun., 9(1):2096, 2018.
[4] B. Monserrat et al. Liquid water contains the building blocks of diverse ice phases. Nat Commun 11, 5757, 2020.
[5] S. Pershin. Ortho-para spin conversion of H2O in aqueous solutions as a quantum factor of the Konovalov paradox. Biophysics, 59:986-994, 11 2015.
[6] S. Kernbach, Electrochemical characterization of ionic dynamics resulting from spin conversion, J. Electrochem. Soc. 169(6)067504,2022
