Новая теория: почему вода расширяется при охлаждении

Японский исследователь Масакадзу Мацумото (Masakazu Matsumoto) из Центра материаловедения Нагойского университета представил свою версию объяснения эффекта расширения воды при охлаждении

«По словам теоретиков, в переохлажденной жидкости начинают появляться образования, структурно напоминающие лед; возрастание концентрации этих областей с низкой плотностью приводит к расширению, — говорит ученый. — Такой процесс легко представить, и объяснение выглядит правдоподобно. Экспериментаторы доверяют красивой и простой теоретической модели и трактуют результаты опытов в ее пользу». Строгого экспериментального подтверждения неоднородности структуры переохлажденной жидкости, впрочем, до сих пор не существует.

В своей предыдущей работе (см. статью, опубликованную в издании The Journal of Chemical Physics в 2007 году) г-н Мацумото и его коллеги предложили новый метод анализа системы водородных связей воды. «Нам удалось выяснить, что по своей структуре переохлажденная жидкость соответствует мозаике, элементами которой служат витриты — структуры, напоминающие многогранники», — рассказывает исследователь. Все обнаруженные формы витритов авторы собрали в специальной базе данных.

«Структуру молекулярной сети воды можно представить на примере губки для мытья посуды или мыльной пены, — продолжает Масакадзу Мацумото. — Только у отдельных структурных элементов нет мембран — остались только «ребра» (связи); четыре связи встречаются в одном узле, и образуется трехмерная сеть произвольной конфигурации.

Как показал в XIX веке Плато, при пересечении четыре мыльные пленки образуют четырехгранный угол Маральди [около 109˚]; аналогичный процесс мы можем наблюдать в случае водородных связей».

Ученый провел компьютерное моделирование трех возможных механизмов изменения объема элементов сети: удлинения связей, варьирования величины угла их пересечения и изменения топологии сети. Как выяснилось, первый процесс приводит к термическому расширению, второй — к противоположному результату, а третий не оказывает заметного влияния на объем. «Таким образом, уменьшение объема при повышении температуры происходит за счет отклонения величины четырехгранного угла от стандартного значения, — заключает г-н Мацумото. — При этом уменьшение объема имеет всеобщий характер: фактор разнообразия локальных структур можно не учитывать».

Представить экспериментальное подтверждение теории японского исследователя в ближайшее время, скорее всего, не удастся, однако автор надеется на то, что полученные им результаты заставят его коллег задуматься об альтернативных объяснениях особенностей воды и по-новому взглянуть на данные опытов.

Полная версия отчета ученого опубликована в журнале Physical Review Letters.
.