Квантовая природа значений температуры особых точек воды: -80, -42, 4, 19, 36.6, 48, 60 °С Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Квантовая природа значений температуры особых точек воды: -80, -42, 4, 19, 36.6, 48, 60 0С

С.М. Першин

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,119991 Москва, Вавилова 38

pershin@kapella.gpi.ru

Известно [1], что вода и лёд имеют более 70 аномалий. В воде это экстремумы параметров в окрестности температуры особых точек: максимумы электропроводности [2], плотности и подвижности (4 0С и 19 0С) [3] с реверсией конвекции [4], минимумы теплоёмкости (36.6 0С) и сжимаемости (48 0С), а также фазовый переход в ньютонову жидкость (60 0С) и обнуление угла скатывания [5]. Так, при 36.6 0С обнаружен выход до 55% воды из эритроцитов и последующий скачок перемещения по капиллярам, которых не было при 35 0С [6, 7]; при 60 0С наблюдается «расплав» гидратных оболочек макромолекул в растворах [8] и «исправление» неравновесного отношения 1:1 (при 20 0С) орто/пара спин-изомеров до 2:1 при нагреве до 60 0С [9].

Физическая природа странных значений температур особых точек остаётся пока неясной. Мы обратили внимание на то, что экстремумы параметров дают основание предположить резонансный характер перехода, индуцированного тепловым движением в окрестности особой температуры. Так энергия kT~193 см-1 при 4 0С соответствует энергии квантов вращательных переходов 2х-3х атомных молекул. Открытые нами ранее [10] вращательные переходы спин-изомеров орто-Н2О и пара-Н2О в воде позволили обнаружить уникальный 4-кратный резонанс при 4 0С. Два из этих резонансов обеспечивают высокую эффективность конверсии в смешанных квантовых состояниях (СКС) близко-расположенных уровней орто- и пара-Н2О, а два других - переходы между вращательными уровнями каждого изомера. Тогда появление при конверсии изомеров орто-Н2О, которые всегда вращается и, поэтому, с большей вероятностью заполняют все свободные вакантные объёмы каркасов льдоподобных структур [11] и доводят плотность воды до максимального значения при 4 0С. Остальные значения температур особых точек также определяются энергией кванта между уровнями, один или два (4, 19 и 60 0С) из которых совпадают с уровнем другого изомера [12] и образуют СКС. Особенность ускорения спиновой конверсии мономеров Н2О в окрестности термоиндуцированных резонансов особых точек воды чрезвычайно важна для жизненных процессов: транспорт только мономеров Н2О по аквапориновым каналам мембраны клеток (Нобелевская премия 2003г.) [13] и скачок деформации эритроцитов в капилляре при 36.6 0С с выбросом до 55% воды [6, 7]. Неясно, почему при 4 0С - экстремум плотности, а при 36.6 0С - теплоёмкости.

[1] M. Chaplin, Water Structure and Science, www.btinternet.com/martin.chaplin/phase.html

[2] L. Baturov, I. Govor, Phys. of Wave Phenom. 20(3), 208-211 (2012).

[3] С.В. Стебновский, Журнал технической физики, 74(1), 21-24 (2004).

[4] С.М. Першин, Л.М. Крутянский, В.А. Лукьянченко, Об обнаружении неравновесных фазовых переходов в воде, Письма в ЖЭТФ, 94(2), 131-136, (2011);

[5] Н.Ф. Бондаренко, Физика движения подземных вод, Л., Гидрометеоиздат, 1973, 215 с

[6] G.M Artmann, C. Kelemen, D. Porst, G. Buldt and S. Chien, Temperature Transitions of Protein Properties in Human Red Blood Cells. // Biophys. J., 75, 3179-3183, (1998).

[7] S.M.Pershin, Ortho/Para H2O Conversion in Water and a Jump in Fluidity of Erythrocytes through a Microcapillary at the Temperature 36.6 +/- 0.30C. Phys. of Wave Phenomena, 17(4), 241-250, (2009).

[8] J.G. Davis, K.P. Gierszal, P.Wang, Water structural transformation at molecular hydrophobic interfaces, Nature, 491, 519 (2012)

[9] S.M. Pershin, A.F. Bunkin, Temperature Evolution of the Relative Concentration of the H2O ortho/para Spin Isomers in Water Studied by Four-Photon Laser Spectroscopy , Laser Phys. 19(7), 1410-1414, (2009)

[10] S.M. Pershin, A.F. Bunkin, N.V. Anisimov, and Yu.A. Pirogov, Water Enrichment by H2O ortho-Isomer: Four-Photon and NMR Spectroscopy, Laser Physics, 19(3), 410-413 (2009)

[11] С.М. Першин, А.Ф. Бункин, В.Л. Голо, «Мономеры H2O в каналах льдоподобных молекулярных комплексов воды», ЖЭТФ, 142(6), 1151-1154, (2012); JETP, 115(6), 1008-1011, (2012)

[12] S.M.Pershin, Coincidence of Rotational Energy of H2O Ortho-Para Molecules And Translation Energy near Specific Temperatures in Water and Ice, Physics of Wave Phenomena, 16(1), 15-25 (2008).

[13] K. Murata, K. Mitsuoka, T. Hirai, T. Walz, P. Agre, J. B. Heymann, A. Engel, Y. Fujiyoshi, Structural determinants of water permeation through aquaporin-1, Nature, 407, 599-602, (2000).