Александр Гордон - Диалоги (август 2003 г.)
Но мы немного отвлеклись. Хотелось бы поговорить о том, как мы вообще к этой проблеме (полимероподобности воды) подошли. Каждый из нас это сделал по-своему…
А.Г. Да, да, пожалуйста. Я хотел сказать, что это же телевизионная программа, у неё есть свои законы. Надо дать затравку, чтобы смотрели.
В.В. Тогда я к тому определению «полимера», которое просто из учебника, хотел бы чуть-чуть добавить, с тем чтобы связать эти две вещи: биополимеры, полимеры, полученные химическим синтезом, о которых говорил Дмитрий, и вода, которая полимерна, что поразительно, и об этом, собственно, дальше пойдёт речь. Потому что, когда мы говорили, что даже полимеры рассыпаются от механических воздействий, это в каком-то смысле странно. По крайней мере, мои коллеги-биологи не очень-то над этим задумываются.
Почему странно? Потому что полимеры, по определению, это молекулы, в которых атомы связаны прочными, так называемыми, ковалентными связями. И чтобы порвать эту связь, необходимо приложить то, что иногда называют энергией высокой плотности. Например, для того чтобы эта связь возбудилась и разорвалась, она должна поглотить квант ультрафиолета.
И вот, когда такой полимер начинает рваться под действием просто механических воздействий, охлаждения, нагревания, это выглядит непривычным. Между прочим, биологи очень часто встречаются с тем, что полимеры рвутся. Возьмём, например, наши любимые молекулы ДНК. Это гигантская молекула. И когда выделяют молекулы ДНК, то стараются с ними работать чрезвычайно нежно. Нельзя даже палочкой интенсивно болтать суспензию этих самых ДНК, потому что она будет рваться на фрагменты. Но редко кто задумывается над тем, что разрыв происходит по так называемой валентной связи. Если взять не длинную молекулу, а её маленький фрагмент, состоящий…
Д.С. Но там же других и нет связей.
В.В. Да, там других просто нет, вот такой полимер. Если взять маленький её фрагмент, состоящий из двух, трех, четырех кирпичиков, то никакой палочкой его уже не порвёшь.
Д.С. Надо ещё учесть и то, что все эти молекулы ДНК обязательно находятся в воде, это тоже очень важно.
В.В. Когда мы говорим о воде, то вот как раз картинка, которая говорит о стандартном представлении, учебниковом представлении о том, как устроена молекула воды. Синий шар – это атом кислорода, два жёлтеньких шарика – это атомы водорода. И чем эта жидкость отличается от других самых разнообразных жидкостей, и Дмитрий об этом более подробно будет говорить, это тем, что эта молекула на самом деле не уравновешена полностью. Вот там видны знаки «минус» и знаки «плюс». На атоме кислорода есть немножко отрицательного заряда. На атоме водорода есть немножко положительного заряда. Этих молекул много, и отрицательный заряд атома кислорода притягивает положительный заряд атома водорода. Образуется связь. Эта связь очень слабенькая, так называемая водородная связь. Её энергия в десятки раз меньше, чем связь между атомом кислорода и атомом водорода в одной молекуле воды. И поэтому, основываясь на представлениях из учебника, думать, что воду можно рассматривать как содержащую полимеры, до их работ казалось совершенно диким. Связи такие слабенькие, что там, казалось бы, нечего говорить о полимеризации. А вот дальше уже начинается история исследования воды как полимера.
Д.С. Это, конечно же, была очень светлая мысль. Покажите вторую картинку. Смотрите: многие свойства воды претерпевают, во всяком случае, основные свойства, претерпевают экстремумы температурных характеристик, то есть они проходят через минимум или максимум. Известная нам плотность воды, например, при плюс четырех градусах будет наибольшей. Это, видимо, следствие того, что когда кристалл льда при таянии разрушается и уплотняется, то это уплотнение ещё может долго продолжаться при увеличении температуры. Но одновременно начинает работать ещё механизм, растаскивающий такие фрагменты, тепловой механизм. И в конце концов, плотность воды, пройдя через максимум, начинается спадать.
А.Г. У меня вопрос на понимание. А если мы охлаждаем воду, не проходя отметку замерзания, скажем, от 6 градусов до 4. Плотность такой воды будет меньше, чем плотность воды, которая получилась в результате таяния льда?
Д.С. Нет, эта характеристика и в ту и в другую сторону проходит через этот максимум, и в ней нет гистерезиса… Где-то здесь при 4 градусах уже начинают складываться мощные структуры из водяных молекул. Это гелеподобные структуры, имеющие даже сдвиговую упругость, некие такие студнеподобные образования.
Вот ещё одна характеристика интересная, посмотрите, – это теплоёмкость, которая отмечена красной линией. Минимум теплоёмкости воды как раз там, где мы все – теплокровные – располагаемся. И падающая ветвь от нуля до 38 градусов, она, вообще-то, свойственна только твёрдым телам. То есть вода ещё некоторое время по этому параметру сохраняет свойства твёрдых тел, и только после 38-40 градусов начинает быть так называемой обычной жидкостью.
Здесь я ещё привёл скорость звука – это зелёная кривая, она характеризует упругие свойства воды. Ну и электрические свойства воды – характеристика электронной поляризуемости. Все эти характеристики имеют экстремумы температурных свойств…Так вот, всё это формально страшно похоже на то, как ведут себя температурные характеристики полимеров. Они тоже имеют экстремумы многих свойств. Вот эта-то аналогия, видимо, и навела (так, по крайней мере, он сам мне и рассказывал – Георгий Алексеевич Домрачев) на мысль о том, что вода полимероподобна. К ней надо относиться как к полимеру. А про полимеры-то известно было уже в своё время, что они неустойчивы при механических воздействиях. Вообще, это некогда была проблема: что же такое мы наделали – такие прочные вещества, что их и кислоты не берут. Так вот: замечательные физхимики Каргин, Слонимский – они ввели такое понятие – механохимия полимеров. Они доказали, что полимеры – сложные структуры, при механическом воздействии закономерно кроме некой перестройки конформации, своих сложных молекул – например, при их растяжении молекулярные клубки растягиваются в спирали, в полимерах происходит хладотечение, т.е. молекулярные фрагменты полимеров рывками могут сдвигаться относительно друг друга, что кроме этого изменения формы таких макромолекул, в них обязательно и закономерно рвутся и химические связи. Довольно-таки прочные химические связи.
Мы предположили, что, по сути дела, в воде происходит нечто подобное. Но если в полимерах происходит деструкция, т.е. необратимое разрушение молекул, то в воде – это диссоциация. Молекулы воды рвутся… Теперь покажите первую картинку, если можно. Они рвутся вот по какой схеме. Они рвутся так, что образуются радикалы. Радикалы в данном случае – это нейтральные частицы, электрически нейтральные, но страшно химически активные: гидроксил – радикалы и атомы водорода…
В.В. Дмитрий, я на секунду прерву, потому что мне всё-таки приходится много в разных местах рассказывать, чем отличаются радикалы от молекул. А поскольку не все в нашей аудитории кончали химфаки…
Д.С. Мне, в общем, тоже приходится рассказывать.
В.В. Пожалуйста, чем тогда радикалы отличаются от молекулы надо сказать.
Д.С. Ну, это может потом, а сейчас…. Здесь нарисована, конечно же, схема. На самом деле всё происходит, конечно же, гораздо сложнее. Эта сложность отражена пометочкой «аква» – это значит, что всё это происходит в воде, что они там запечатаны в каких-то структурах, что и молекулы воды и получающиеся радикалы живут как бы в некоторых клетках, образованных из молекул воды же…Мы вообще-то довольно мало знаем о свойствах этих структурных водных образований. Знаем только, что эти образования, видимо, достаточно большие и рыхлые при сравнительно низких температурах – около нуля. И что где-то к градусам 60-70 они уже становятся гораздо меньше по размерам и несколько более плотными, чем те, которые получаются сразу после таяния льда.
Что же здесь является в некотором смысле парадоксальным? Дело в том, что отдельная молекула воды, не взаимодействующая с другими молекулами воды, например, в мономолекулярном паре, весьма прочна. Для того чтобы её порвать, нужно приложить к ней довольно-таки приличную энергию – 5,2 электрон/вольт. Это соответствует ультрафиолету, как Володя говорил, это 50 тысяч градусов по другой шкале, в другом формате. Вот так… И кажется странным, чтобы такой процесс диссоциации воды всё-таки шёл при заведомо меньших плотностях энергии.
Тем не менее, оказалось, и мы показали это в своих опытах, что такой процесс диссоциации воды всё-таки идёт.
А.Г. То есть вода диссоциирует.
Д.С. Да…Модели этого явления – такой модели, которую, как это считается, нужно бы иметь, и по которой можно было бы всё рассчитать – у нас, конечно же, нет. Но подход к воде как к полимероподобной среде для нас сразу же внёс ясность в некоторые процессы. Мы смогли сказать заранее, как, например, будет зависеть диссоциация воды от температуры, как она будет зависеть от концентрации растворённых в воде веществ. Как она будет зависеть от усилий, прилагаемых к этой воде, допустим, при её перемешивании или, например, при пропускании звука. Мы многие типы воздействия на воду перепробовали.
