Молекулы воды не просто хаотично снуют в пространстве — иногда они образуют предпочтительные структуры. Этот научный факт часто извращают любители лженауки, жонглируя терминами вроде «память воды» для оправдания гомеопатии. Разумеется, вода не работает как магическая флешка для записи информации, однако ее способность формировать короткоживущие структуры имеет фундаментальные последствия для физики.
Это наглядно показало новое исследование, проведенное физиками из Венского технического университета (TU Wien) совместно с Венским университетом и Университетом Осло. Ученые выяснили, насколько легко заряженные частицы удерживаются на поверхностях. Это критически важный вопрос для создания долговечных батарей, топливных элементов и понимания работы биологических мембран. Оказалось, что предсказать поведение ионов невозможно, если сбрасывать со счетов структуры, которые вода образует вокруг них на наносекундных масштабах.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
«Когда положительно заряженные ионы в водном растворе прикрепляются к отрицательно заряженной поверхности, со стороны это звучит как тривиальная задача из школьного учебника, — объясняет Маркус Вальтинер из Института прикладной физики TU Wien. — Противоположные электрические заряды притягиваются, поэтому частица движется к поверхности. Но в реальности все устроено несколько сложнее».
Дело в том, что заряженные частицы не путешествуют по воде в гордом одиночестве. Они всегда окружены гидратационной оболочкой — своеобразной «свитой» из молекул воды. И то, насколько жестко упорядочена эта водная шуба, зависит от конкретного элемента.
По словам Вальтинера, крошечные ионы лития обладают мощным локальным электрическим полем. Они буквально заставляют соседние молекулы H₂O выстраиваться в строгий паттерн. А вот крупные ионы, вроде цезия, относятся к своему окружению лояльнее — эффект упорядочивания вокруг них намного слабее.
Авторы работы просят не путать этот статистический порядок с жесткой кристаллической решеткой льда. Молекулы жидкости продолжают яростно вибрировать, расталкивать друг друга и перестраивать связи. Просто в присутствии заряженного иона они с большей вероятностью принимают определенные положения.
Чтобы измерить эти тончайшие поверхностные эффекты, команда объединила атомно-силовую микроскопию сверхвысокого разрешения, молекулярную динамику и спектроскопию.
Результатом стала единая термодинамическая модель, которая впервые описывает адсорбцию (прилипание) частиц комплексно. Теперь физики учитывают не только голое электростатическое притяжение, но и энтропию, а также вероятность упорядочивания воды.
Базовая термодинамика гласит, что природа стремится к хаосу — то есть к высокой энтропии. Если ион (как тот же литий) требует от воды высокой степени упорядоченности (создает локальную систему с низкой энтропией), ему сложнее прикрепиться к поверхности. Сохранение такой строгой структуры при взаимодействии с материалом термодинамически невыгодно. В итоге именно баланс между притяжением зарядов и энтропией решает, осядет частица или нет.
Эта модель позволяет точно предсказывать, какие ионы будут прилипать к заданным электродам. Без этих расчетов невозможно проектировать эффективные литий-ионные аккумуляторы, промышленные катализаторы и даже понимать работу ионных каналов в наших клетках.
«Это не какая-то магическая память воды, и открытие не имеет ничего общего с эзотерическими идеями о передаче информации, — в очередной раз подчеркивает Маркус Вальтинер. — Это просто невероятно интересное физическое и динамическое взаимодействие между различными ионами и молекулами воды».
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Вода во Вселенной появилась гораздо раньше, чем мы предполагали
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.