Кристаллические структуры в воде

Знаете ли вы, что в воде тоже могут существовать кристаллические структуры? Просто напомню, что во многом именно наличие жёсткой кристаллической структуры обеспечивает жёсткость твёрдых тел (есть и исключения, так называемые, аморфные тела, но о них разговор отдельный). Казалось бы, само словосочетание «кристаллические структуры в воде» является оксюмороном. Однако, в реальности, ситуация несколько интереснее.

Кристаллические и нитеподобные структуры, формируемые в коллоидных растворах кластерами  мелких частиц.
Кристаллические и нитеподобные структуры, формируемые в коллоидных растворах кластерами мелких частиц.

Сразу оговорюсь, что часто можно слышать о структурированной воде и т. п. Особенно любят об этом поговорить всякие эзотерики, последователи нетрадиционной медицины, адепты альтернативной науки и прочие шарлатаны и тунеядцы. Здесь речь не о них. Если же отбросить всю подобную шелуху, то на деле, действительно, вода может образовывать определённые структуры, называемые водными кластерами или комплексами, но они имеют весьма подвижный характер и вряд ли могут считаться кристаллическими.

Но помимо чистых жидкостей в природе и быту часто встречаются всевозможные растворы. Особый интерес представляют так называемые коллоидные растворы, обычно представляющие собой взвесь мелких частичек в жидкости. Примерами коллоидных растворов могут служить, например, чернила или кровь. Коллоидные растворы вообще играют важную роль в живых организмах. Как известно, человек более, чем на две трети состоит из воды, но, естественно, она представляет собой не просто чистую жидкость внутри нас, а содержит большое число взвесей.

Так вот, возвращаясь к кристаллическим структурам, оказывается, что в некоторых коллоидных растворах частички способны притягиваться друг к другу, образуя так называемые кластеры — квазиустойчивые скопления частичек. Эти кластеры также могут взаимодействовать между собой. Более того, при определённых условиях (концентрации частичек и температуре) кластеры способны самопроизвольно образовывать упорядоченные структуры, аналогичные кристаллам. При этом раствор в целом не теряет свойств жидкости.

Исследованием подобных структур занимается специальное большое направление в физике, так называемая, физика мягкого вещества. Коллоидные растворы с кристаллическими структурами представляют большой интерес в связи с наличием у них интересных свойств, приводящих к необычным эффектам. Один из таких эффектов был рассмотрен в недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters. Статья посвящена изучению поведения коллоидного раствора под действием механических сдвиговых напряжений.

Оказывается, что при механическом воздействии на коллоидный раствор кристаллическая структура ожидаемо разрушается или, как говорят, «плавится». Необычным оказалось то, что при увеличении силы воздействия кластеры частичек снова самоорганизуются! На это раз, правда, в длинные струны или нити, параллельные направлению сдвига. Возникновение новой структуры сопровождается резким изменением свойств жидкости. Если в начале она представляла собой довольно вязкую субстанцию типа кашицы, то при механическом воздействии она разжижается, становясь больше похожей на обычную воду. Это связано с тем, что образовавшиеся кластерные струны могут свободно скользить друг относительно друга, практически не оказывая сопротивления внешним силам.

При дальнейшем усилении внешнего воздействия струны также разрушаются, и жидкость превращается в обычный вязкий коллоидный раствор. Авторы статьи заверяют, что провал в коэффициенте вязкости жидкости, наблюдающийся при изменении степени внешнего механического воздействия на неё может быть использован для целого ряда приложений в биотехнологиях, фармакологии и т. п. В частности, перспективным является использование данного эффекта в виброгасителях и защитной одежде. Ну что ж, охотно верится. Такие необычные вещи всегда где-нибудь да и пригодятся.


Источник: Arash Nikoubashman, Gerhard Kahl, and Christos N. Likos. Cluster Crystals under Shear // Phys. Rev. Lett. 107, 068302 (2011)

comments powered by Disqus