Воду заставили "упаковаться" в пирамиду

Молекула воды (с красными водородами) слева и ее тетраэдр. Фото Physorg

Вольфганг Рентген получил в 1901 году первую Нобелевскую премию по физике, в общем-то, за довольно случайное открытие неких лучей, природы которых тогда никто не знал. Работал он с вакуумной трубкой, сделанной англичанином Уильямом Круксом, в которой происходило отклонение катодных лучей, то есть потока электронов. Через 10 лет после смерти Рентгена Владимир Зворыкин использовал это явление для создания электронно-лучевых ТВ-трубок.

В наше время электроны разгоняют на ускорителях, после чего этот электронный луч изгибают, получая рентгеновский поток, или лазер, с ничтожно малой длиной волны его фотонов. Время этой вспышки не превышает фемтосекунд (10–15 с). Благодаря рентгеновскому лазеру удается рассмотреть биомолекулы с атомным разрешением.

А реальным увлечением Рентгена была… вода. Как известно из школьного курса химии, эта жидкость обладает уникальными свойствами, обусловленными полярным различием электроотрицательности кислорода и водорода. В результате между ее молекулами образуются мириады водородных связей, удерживающих ее в жидком состоянии. При температуре 4 градуса по Цельсию вода имеет максимальную плотность.

В конце декабря 2017 года СМИ сообщили, что от ледяного щита Антарктиды откололся айсберг, который в четыре раза больше Манхэттена. На одну из таких ледяных гор в 1912 году наскочил гигантский пароход «Титаник». Известно, что при образовании льда водородные связи рвутся, расстояние между молекулами воды увеличивается и плотность падает как раз на ту 1/8 айсберга, которая видна над водой, то есть на 12,5%, что для молекулярного расстояния гигантская величина.

Вода оказалась прекрасной термодинамической моделью. В течение целого века ученые не знали способов глубокого охлаждения частиц воды, ее капелек, чтобы разобраться в природе тех изменений, которые претерпевает вода при суперохлаждении. Знать это важно для понимания процессов, протекающих в живой природе. Почему, например, животные и растения не «вымерзают» зимой. Биоинженерам это важно для создания лучших условий хранения клеток и эмбрионов в замороженном виде. Поэтому понятен интерес сотрудников Стокгольмского университета к сверхохлаждению воды.

Атом углерода (С) направляет четыре свои связи к вершинам тетраэдра, или 3D-фигуры с четырьмя вершинами. Пару лет назад компьютерное моделирование позволило говорить и о водных тетраэдрах! Доказательства этого  не было. И вот на сцену вышли шведы, которые вместе с японскими и южнокорейскими коллегами научились быстро охлаждать микронного диаметра капельки воды, после чего направлять на них фемтосекундные рентгеновские импульсы. Минимальная длина волны позволила разглядеть поверхность капель с атомным разрешением.

Ученые выяснили, что минимальная плотность воды, без которой невозможна жизнь, достигается при –44оС, а у тяжелой воды (D2O) при –40оС. Можно напомнить, что быстрое охлаждение воды помогло создать криоэлектронную микроскопию, за что была присуждена Нобелевская премия 2017 года по химии. Ученым удалось также наблюдать образование водных тетраэдров, что говорит о новом фазовом состоянии этого вещества.

Как это скажется на дальнейшем исследовании, сказать сложно. Но думается, что скачок в понимании молекулярных изменений налицо. В своей статье ученые пишут также о  жидкостном состоянии-фазе воды двух видов вблизи температуры –42 и –44 оС, при которых меняются плотность, вязкость и сжимаемость жидкости.

Вряд ли Крукс и Рентген могли в свое время предполагать, какие ответвления дадут их исследования и созданные ими инструменты. Однако наука тем и хороша, что она непредсказуема, как жизнь. Напомним, что рентгеновское облучение мух дрозофил резко подхлестнуло частоту мутаций у насекомых, что позволило точнее сформулировать положение хромосомной теории наследственности. За нее Томас Морган получил Нобелевскую премию в 1933 году, а Генри Мёллер в 1946-м. С той поры сменилось несколько поколений исследователей, работа которых теперь, судя по адресам авторов статьи в Science, в хорошем смысле этого слова стала результатом глобализации.