Физики обнаружили ранее неизвестное свойство воды, связанное с транспортом ионов. Открытие может найти применение в биомедицине и энергетике

Злополучные штудии на тему «молекулярной памяти воды» и других шарлатанских материй приучили просвещенную публику игнорировать научные новости, где сообщается об открытии у воды еще каких-то неизвестных науке свойств. Между тем оказалось, что настоящая наука по-прежнему на такое способна. Речь идет о транспорте ионов — свойстве воды, которое делает ее универсальным растворителем и основой жизни на планете.

Одно из уникальных свойств воды — способность ее молекул распадаться на ионы водорода и гидроксила. Это качество делает воду уникальным ресурсом для получения энергии. На нем основана технология топливных ячеек, и это же свойство лежит в основе энергетики живой клетки. Ионы водорода и гидроксила не существуют в воде изолированно, на самом деле их окружает паутина целых молекул, которые взаимодействуют друг с другом и с ионами посредством водородных связей.

На протяжении последнего столетия считалось установленным, что водородные связи взаимодействуют с протоном и гидроксилом абсолютно симметричным образом («с точностью до наоборот»). Однако последние теоретические модели предсказывали, что это, возможно, не так. Но если водород и гидроксил действительно переносятся водой по-разному, эта асимметрия открывает широкие возможности для разработки процессов, где один из ионов будет иметь преимущество перед другим.

Профессор Алексей Ершов из Нью-Йоркского университета и его коллеги поставили перед собой задачу экспериментально доказать существование такой асимметрии. Разработанная ими установка помогла достичь этой цели, о чем они и сообщают в своей статье.

Теоретически ожидалось, что свойство будет ярче всего проявляться в условиях «максимальной плотности» — при плюс четырех градусах по Цельсию, когда вода даже плотнее, чем лед. Благодаря этому качеству земные водоемы зимой покрываются льдом сверху, а не со дна, в противном случае жизнь в них не смогла бы развиться. При этой температуре с помощью метода ядерного магнитного резонанса исследователи измерили время существования ионов водорода и гидроксила. Разница в этом времени определяет различие в скорости транспорта двух ионов.

Наглядное описание процесса таково. Молекула воды Н2О состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом водорода способен прыгать с одной молекулы на другую. Эти прыжки и составляют основу движения «иона водорода» Н+ или, что то же самое, «иона гидроксония» H3O+. Так же движется и ион гидроксила ОН– (молекула воды с оторванным от нее водородом), хотя направление его движения противоположно направлению прыжка. Прыжки атомов зависят от рисунка водородных связей вокруг молекулы, и именно при одной конкретной конфигурации водородных связей ион гидроксила движется заметно медленнее, чем водород. Эта конфигурация наиболее вероятна при температуре максимальной плотности. Исследователи действительно отмечали, что наблюдаемый ими эффект скачкообразно меняется при +4оС.

Марк Такерман, соавтор работы и тот самый теоретик, который ранее предсказал асимметрию в поведении ионов, считает, что открытый эффект открывает дорогу для создания новых материалов, которые будут применяться в альтернативной «чистой» энергетике. Открытие может заинтересовать и биохимиков, занимающихся проблемами клеточной электрохимии и механизмами действия ферментов.

Источник