Вода относится к классу жидкостей, частицы которых образуют локальные тетраэдрические структуры. Тетраэдрическость воды является следствием водородных связей между молекулами, которые ограничены фиксированными направлениями.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), исследователи выяснили, почему физические свойства воды, выраженные ее фазовой диаграммой, настолько замечательны, даже по сравнению с другими тетраэдрическими жидкости, такие как кремний и углерод.Тетраэдрические жидкости часто моделируются энергетическим потенциалом, называемым SW-моделью.
Предполагается, что жидкость содержит две фазы — неупорядоченное состояние, которое имеет высокую вращательную симметрию, и тетраэдрически упорядоченное состояние, которое не имеет — в термодинамическом равновесии. Несмотря на свою простоту, модель точно предсказывает аномальное поведение жидкости. Свойство двух состояний контролируется параметром лямбда (λ), который описывает относительную силу парных и трехчастичных межмолекулярных взаимодействий. Чем больше λ, тем выше степень тетраэдрического порядка.
«Мы поняли, что λ, которая довольно велика для воды, является ключом к уникальности этих жидкостей», — говорит соавтор исследования Джон Руссо. «Фактически, λ контролирует степень тетраэдрическости: по мере увеличения λ тетраэдрические оболочки, образующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергетически более стабильными. Следовательно, эти оболочки преодолевают неблагоприятную потерю энтропии, которая сопровождает создание порядка». Локальные тетраэдры напоминают твердотельные структуры, поэтому жидкости с высоким λ легче кристаллизуются.Постоянно регулируя λ, они смоделировали набор фазовых диаграмм для моделирования того, что происходит, когда «простая» жидкость становится все более похожей на воду.
С увеличением λ различные термодинамические и динамические аномалии тетраэдрических жидкостей, такие как расширение при низкой температуре и нарушение стандартного закона Аррениуса для диффузии, становились более выраженными.Однако это было не так просто, как «больше тетраэдров — более странное поведение».
Влияние тетраэдрическости было максимальным для воды, имеющей λ = 23,15. Выше здесь поведение плотности как функции температуры снова приблизилось к нормальному, потому что разница в объеме между упорядоченным и неупорядоченным состояниями начала уменьшаться.
Таким образом, вода имеет точно настроенное значение λ, которое позволяет легко переключаться между порядком и случайностью. Это придает ему высокую структурную гибкость при изменении температуры или давления, что и является причиной его уникального поведения.
«Связывание наблюдаемых свойств, таких как вязкость, с микроскопическими структурами — вот в чем суть физической химии», — говорит соавтор исследования Хадзиме Танака. "Вода, самое многочисленное и в то же время самое необычное вещество на Земле, долгое время была последней границей в этом отношении. Мы были рады, что простая, хорошо известная модель может полностью объяснить странность воды, которая возникает из тонкого баланса между порядок и беспорядок в жидкости ».