CC BY
57
УДК: 543.3
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ВОДЫ НА СВОЙСТВА НЕЖИВЫХ СИСТЕМ И СОСТОЯНИЕ ОРГАНИЗМОВ
Сидоренко1 Г.Н., Колдина2 А.М., Лаптев1 Б.И., Горленко3 Н.П., Антошкин4Л.В.
'Nove tehnologije d.o.o, Ljubljana, Slovenia
2ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов», г. Москва, Российская Федерация.
3ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск, Российская Федерация. 4 ФГБУ «Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН», г. Томск, Российская Федерация.
Аннотация. При использовании комплекса методов исследования (динамическое светорассеяние, лазерная интерференция, электрофизические методы исследования, рН-метрия, атомно-силовая микроскопия, УФ-спектроскопия, спектроскопия ЭПР и др.) показано, что жидкая вода имеет структуру, которая зависит от соотношения свободных и ассоциированных, например, в кластеры, гидратные и другие структурные образования молекул воды. Структура воды изменяется при различных воздействиях, включающих изменении температуры, концентрации растворов, их состава, рН, материала пристеночного слоя, действия магнитного поля и т.д. Воздействия, изменяющие структуру воды, приводят к значительным изменениям свойств неживых систем и состояния организма.
Ключевые слова: структура воды, кластеры воды, электрическая емкость, резонанс, цементные системы, минеральная вода, лечебная грязь, магнитное поле, организм, адаптация.
У жидкой воды тоже есть структура?
Известно, что молекула воды, состоящая из атома кислорода и двух атомов водорода, имеет смещение центров положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга. Вследствие этого атомы водорода молекулы воды могут образовывать водородные связи с атомами кислорода соседних молекул воды [1]. Современный взгляд на структуру воды в жидком состоянии заключается в том, что в ней существует лабильная, структурно и динамически неоднородная трехмерная сетка, образованная молекулами воды, соединенными водородными связями [2]. Среднее время жизни водородных связей составляет ~10-12 с.
Наличие водородных связей приводит к тому, что в воде и ее растворах происходит непрерывное образование и разрушение ассоциатов молекул воды [3-5]. Ассоциат минимального размера - кластер состоит из 6 молекул воды [6].
С использованием комплекса физико-химических методов (динамическое светорассеяние, микроэлектрофорез, кондуктометрия, тензиометрия, рН-метрия, диэлькометрия, поляриметрия, атомно-силовая микроскопия, УФ-спектроскопия, спектроскопия ЭПР) показано, что в высокоразбавленных водных растворах
присутствуют наноразмерные молекулярные ассоци-аты с размерами до 400 нм, названные наноассоциа-тами [7]. С использованием метода лазерной интерференции в ряде исследований обнаружены также кластеры с размерами от 10 мкм до 100 мкм (гигантские гетерофазные кластеры воды - ГГКВ), оценены их форма, динамика образования и разрушения [3-5]. Наличие больших кластеров не противоречит ранее полученным данным о существовании в воде наномет-ровых кластеров со временем релаксации 10-11 - 10-12 секунд [3]. С учетом малых длительностей жизни водородных связей и при постоянных термодинамических условиях, очевидно, можно говорить и о существовании усредненного структурного состояния воды.
Распределенные в жидкой (континуальной) фазе ГГКВ образуются и разрушаются в течение 1-2 секунд [3,4], а размеры кластеров зависят от концентрации раствора [8], температуры, воздействия магнитного поля [9], рН [10] и других факторов. Так при обработке воды магнитным полем в ней происходит снижение содержания ГГКВ (в первую очередь крупных размеров) [9]. На рисунке 1 показаны размерные спектры (I - V) ГГКВ.
—--—
Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК
Рис. 1. Размерные спектры (I - V) потенциально возможных популяций гигантских гетерофазных кластеров
деионизированной воды (цит. по [10]).
Новые подходы к изучению структуры воды. Известно, что вода и водные системы имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям, включая низкоэнергетические (информационные) воздействия [11], поэтому для их изучения необходимы неразруша-ющие методы исследования.
Поскольку молекула воды имеет смещение центров положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга, то она является выраженным диполем. В отсутствие электрического поля диполи (молекулы) воды ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться и ослабляют это электрическое поле. В высокочастотном электрическом поле диполи воды не успевают поворачиваться при изменении направления силовых линий этого поля, вследствие чего уменьшается реактивный ток через воду и, соответственно, ее электрическая емкость.
Эта зависимость подвижности диполей воды от частоты тока и была использована рядом исследователей для оценки структуры воды и водосодержащих систем. Следует отметить, что не связанные между собой диполи имеют максимальную подвижность. Подвижность же связанных между собой диполей определяется характером этих связей, то есть особенностями структурных образований в воде и водосодержащих системах, например, количеством диполей воды, организованных в кластеры и (или) в гидратные образования ионов [12].
В настоящее время известен способ оценки структуры воды и ее растворов [13] с использованием комплекта соленоидных катушек индуктивности (Ь-ячеек). Одним из недостатков этого способа является невозможность определения параметров воды и ее рас-
творов в диапазоне частот ниже 10 кГц, тогда как практический интерес представляет оценка структуры воды диапазоне частот ниже 10 кГц.
Для преодоления этого недостатка были разработаны измерительные ячейки и способ оценки структуры воды и водных растворов [14-16], позволяющий определять электрическую емкость растворов начиная от 100 Гц. Изучаемую жидкость помещают в одну измерительную ячейку, включающую емкость из диэлектрического материала с размещенными на ней обкладки конденсатора из немагнитного материала.
Благодаря использованию выше расположения обкладок конденсатора и сверхмалых плотностей токов (10-100 нА/см2) в широком диапазоне частот от 100 Гц до 3 мГц, после различных воздействий удалось выявить многократные и воспроизводимые изменения величины реактивного тока через измерительные ячейки, электрической емкости воды и водных растворов, что свидетельствовало об изменениях в их структуре.
Оценка изменений структуры воды при изменении температуры и концентрации растворов.
Ниже приведены данные, полученные с использованием измерительной ячейки [12]. Показано, что при температуре 20оС с увеличением частоты реактивного тока от 1 до 100 кГц электрическая емкость дистиллированной воды многократно (до 7% от исходного уровня, Р<0,001) снижается (рис. 2а) и практически не изменяется при дальнейшем повышении частоты до 3000 кГц. Следует отметить, что уже при частоте 3 кГц емкость снижается до 42% по сравнению с частотой 1 кГц (Р<0,001). При повышении же концентрации водного раствора №С1 происходит последовательное увеличение электрической емкости сначала на низких, а затем и на более высоких частотах (рис. 2б).
Рис. 2.
а - зависимость электрической ёмкости дистиллированной воды и водных растворов (С, пФ) от частоты реактивного тока $ кГц): 1-дистиллированная вода, 2, 3, 4, 5, 6 и 7- растворы соли хлорида натрия в концентрациях 110-6 М, 110-5 М, 110-4 М, 110-3 М, 110-2 М и 110М соответственно;
б - относительное изменение электрической ёмкости при различных частотах реактивного тока и концентрациях раствора ИаС1: 1 - 110-6Мраствор по сравнению с дистиллированной водой; 2 - 110-5Мраствор по сравнению с 110-6 М раствором; 3 - 110-4М раствор по сравнению с 110-5М раствором; 4 - 110-3М раствор по сравнению с 110-4М раствором; 5 - 1102М раствор по сравнению с 110-3Мраствором, 6 - 110М раствор по сравнению с 110-2М раствором. По оси абсцисс - частота реактивного тока ($, кГц), по оси ординат - электрическая емкость жидкости (С, пФ).
Принимая во внимание данные литературы и полученные результаты [3,4,17], можно предположить, что в дистиллированной воде её молекулы достаточно прочно связаны между собой в ассоциаты. Это значительно снижает подвижность диполей воды при повышении частоты реактивного тока более 1 кГц.
Повышение, по сравнению с дистиллированной водой, электрической емкости водного раствора №С1 происходит вследствие увеличения количества диполей, совершающих колебательные движения при частотах 1 - 3000 кГц, что свидетельствует об изменении структуры воды. Возможно, что динамика электрической емкости при повышении концентрации растворов №С1 отражает:
• изменения в структуре ассоциатов молекул воды, в частности, в соотношениях размеров и количества кластеров;
• увеличение количества свободных диполей, имеющих максимальную подвижность;
• особенности процессов гидратации ионов;
• динамику взаимодействия между ассоциатами молекул воды и гидратными образованиями.
Эти предположения частично подтверждаются данными работы [8], в которой показано, что размеры кластеров воды уменьшаются при повышении концентрации растворов уже от 10-5 М.
Теоретический и практический интерес представляла оценка изменений электрической емкости воды и ее растворов при различных температурах. Показана зависимость электрической емкости дистиллированной воды (а) и 110-4 М раствора хлорида натрия (б) от
частоты реактивного тока при температуре 25оС и 70оС [16, 17]. Оказалось, что при температуре 70оС, по сравнению с 25оС, электрическая емкость дистиллированной воды возрастает при частотах реактивного тока от 0,1 кГц до 10 кГц (Р<0,001). В опытах с 110-4 М раствора хлорида натрия при температуре 70оС электрическая емкость раствора повышается во всем частотном диапазоне (Р<0,001). Повышение электрической емкости жидкостей свидетельствует об увеличении подвижности диполей воды.
Определенный интерес представляет исследование динамики изменения температуры дистиллированной воды при ее нагревании или охлаждении. Так, на термограмме охлаждения высокоомной бидистиллиро-ванной воды при температурах 75,4 оС; 62,3 оС и 45,4оС имеются четко выраженные пики, свидетельствующие о структурных перестройках в воде [18]. В другом исследовании на кривой средних арифметических значений относительного время снижения и повышения температуры дистиллированной воды при температуре 32 оС, 39 оС и 42 оС также отмечаются локальные максимумы [18], что может иметь существенное значение, в частности, для поддержания гомеостаза теплокровного организма.
С учетом вышеизложенного можно заключить, что дальнейшие исследования влияния различных факторов на структуру воды и обусловленные этим изменения свойств неживых систем и состояние организмов являются актуальными в биологии, медицине [11] и других областях науки и техники. В целом сфера при-
—--—
Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК
менения модификации структуры воды и водосодер-
жащих систем для создания новых технологий в разных областях постоянно расширяется.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Штыков С.Н. Организованные среды- мир жидких систем // Природа. 2009. №7. С.12-20.
[2] Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды // Журнал
структурной химии. 2006. Т.47. (прил.). С. 5-35.
[3] Гончарук, В.В., Смирнов, В.Н., Сыроешкин, А.В. и др. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды // Химия и технология воды. 2007. Т. 29. №1. С.3-17
[4] Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. Супранадмолекуляр-ные комплексы воды // Рос. хим. ж. 2004. Т.48. № 2. С.125-135.
[5] Ho M-W. Large Supramolecular Water Clusters Caught on Camera - A Review //Water. 2013. Т.6. Р. 1-12.
[6] Michaelides А., Morgenstern K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces // Nature Materials. 2007. Т.6. P. 597 - 601.
[7] Коновалов А.И. Образование наноразмерных молекулярных ансамблей в высокоразбавленных водных растворах // Вестник РАН. 2013.Т. 83, № 12. С. 1076-1082.
[8] Баранов А.В, Петров В.И., Федоров А.В.и др. Влияние микропримесей NaCl на динамику кластерообразова-ния в жидкой воде: спектроскопия низкочастотного комбинационного рассеяния //Письма в ЖЭТФ. 1993. T.57. В.6. C .356 - 359.
[9] Гончарук, В.В., Орехова Е.А., Маляренко В.В. Влияние температуры на кластеры воды // Химия и технология воды. 2008. Т.30. N 2. С.150 - 158.
[10] Успенская Е.В., Сыроешкин А.В., Смирнов А.Н. и др. Структура воды и лазерные экспресс-методы определения подлинности // Фармация. - 2007. - № 5. - С.21-23.
[11] Левицкий Е.Ф., Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н. Электромагнитные поля в курортологии и физиотерапии. Томск, 2000. 113 с.
[12] Лаптев Б.И., Сидоренко Г. Н., Горленко Н. П. и др. Современные электрофизические методы исследований структуры воды и водных растворов // Вода и экология. Проблемы и решения. 2014. №3. С.21-32.
[13] Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью 1-ячейки // Патент RU № 2234102.
[14] Лаптев Б.И., Антошкин, Сидоренко Г. Н. и др. Измерительная ячейка для оценки структуры воды и водных растворов // Заявка на патент № 2013130782/28. Решение о выдаче от 17.02.2017.
[15] Лаптев Б.И., Антошкин, Сидоренко Г. Н. и др. Способ оценки структуры воды и водных растворов // Заявка на патент № 2013130182/28. Решение о выдаче от 17.02.2017.
[16] Сидоренко Г.Н., Лаптев Б.И., Горленко Н.П. и др. Динамика структурной организации воды и водных растворов в диапазоне частот от 100 гц до 3 мгц // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2016.№ 9. С. 38-43.
[17] Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П. и др. Оценка изменений структуры водных растворов в пристеночных слоях с использованием диэлектрометрии и резонансного методов // Вестник новых медицинских технологий. Электронный журнал. 2015. № 2. С. 2-9.
[18] Кузнецов, Д.М. Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде // Рос. хим. журн. 2008. Т. LП. № 1. С. 114121.
INFLUENCE OF CHANGES IN THE STRUCTURE OF WATER ON THE PROPERTIES OF NONLIVING SYSTEMS AND THE STATE OF ORGANISMS
Sidorenko1 G.N., Koldina2A.M., Laptev1 B.I., Gorlenko3N.P., Antoshkin4L.V.
'Nove tehnologije d.o.o, Ljubljana, Slovenia;
2Peoples' Friendship University of Russia, Moscow, Russian Federation;
3Tomsk State University of Architecture and Building, 634050, Tomsk, Russian Federation;
4V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science (IAO SB RAS), 634055, Tomsk, Russian Federation
Annotation. Using a complex of research methods (dynamic light scattering, laser interference, electrophysical research methods, pH-metry, atomic-powered microscopy, UV spectroscopy, EPR spectroscopy, etc.), the liquid water was shown to have a structure, which depends on the ratio of free and associated, for example, clusters, hydrate and other structural formations of molecules. The structure of water alters with different effects, including changes in temperature, concentration and composition of solutions, pH, near-wall layer material, action of the magnetic field, etc. Water structure modifying impact leads to significant changes of the properties of non-living systems and body condition.
Key words: structure of water, water clusters, capacitance, resonance, cement system, mineral water, therapeutic mud, magnetic field, organism, adaptation.
REFERENCES
[1] Shtykov S.N. Organized Mediums - the World of Liquid Nanosystems. Priroda, 2009, № 7, pp. 12-20.
[2] Malenkov G.G. Structure and dynamics of liquid water // Journal of Structural Chemistry, 2006, vol.47, pp. 5-35.
[3] Goncharuk V.V., Smirnov V.N., Syroeshkin A.V. Clusters and giant heterophase water clusters // Chemistry and technology of water, 2007, vol. 29, №1, pp. 3-17.
[4] Smimov A.N., Syroeshkin A.V. Supra supermolecular complexes of water // Russian Chemical Journal, 2004, vol. 48, №2, pp. 125-135.
[5] Ho M-W. Large Supramolecular Water Clusters Caught on Camera - A Review //Water, 2013, vol.6, pp. 1-12.
[6] Michaelides A., Morgenstern K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces // Nature Materials, 2007, vol.6, pp. 597 - 601.
[7] Konovalov A.I. The formation of nanosized molecular ensembles in highly dilute aqueous solutions // Herald of the Russian Academy of Sciences, 2013, vol.83, № 12, pp.1076-1082.
[8] Baranov A.V., Petrov V.I., Fedorov A.V. Influence ofNaCl microelements on dynamics of cluster formation in liquid water: spectroscopy of low-frequency combinational // Letters to Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1993, vol.57, № 6, pp. 356-359.
[9] Goncharuk V.V., Orekhova E.A., Malyarenko V.V. Temperature influence on water clusters // Chemistry and technology of water, 2008, vol. 30, № 2, pp. 150-158.
[10] Syroeshkin A.V., Smirnov A.N., Goncharuk V.V. Water as a heterogeneous structure // Electronic Journal "It is investigated in Russia.", 2006, pp.843-854. Available at: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/088.pdf
[11] Levitskiy E.F., Laptev B.I., Sidorenko G.N. Electromagnetic fields in the resorts and physiotherapy. Tomsk, 2000, 127 p.
[12] Laptev B.I., Sidorenko G.N., Gorlenko N.P. Modern electro-physical investigation methods of water structure and aqueous solutions // Water and ecology. Problems and solutions, 2014, №3, pp.21-32.
[13] Semikhina L.P. The method of determining dielectric parameters of water and its solutions in the low frequency region by using l-cells // Patent № 2234102.
[14] Laptev B.I., Antoshkin L.V., Sidorenko G.N. Measuring cell for evaluating the structure of water and aqueous solutions // Patent № 2013130782/28.
[15] Laptev B.I., Antoshkin L.V., Sidorenko G.N. A method for evaluating the structure of water and aqueous solutions // Patent № 2013130182/28.
[16] Sidorenko G.N., Laptev B.I., Gorlenko N.P. Dynamics of structural organization of water and aqueous solutions in the frequency range from 100 Hz to 3 MHz // Water purification. Water treatment. Water supply journal, 2016, № 9, pp. 38-43.
[17] Laptev B.I., Sidorenko G.N., Gorlenko N.P. Evaluation of changing the structure of aqueous solutions in the near-wall layers with using dielectrometry and resonance method // Journal of New Medical Technologies, 2015, № 2, pp. 2-9.
[18] Kuznetsov D.M., Smirnov A.N., Syroeshkin A.V. Acoustic emission during phase transformations in the aquatic environment // Russian Chemical Journal, 2008, vol.52, pp.114-121.
