Вода, Энергия и Жизнь
Проблема структурированной воды до сих пор крайне актуальна. Ещё Леонардо Да Винчи говорил, что жизнь - это одушевлённая вода! Не зря 21 век уже назван веком биологии. В ближайшем времени будет получено достаточно подтверждений существования структурированной воды, чтобы поменять парадигму биологии и решить её главный вопрос, физический по своей сути: "Как молекулы генерируют упорядоченное движение?"
Серьёзным подтверждением существования дальнего порядка в воде могут служить исследования Джеральда Поллака (США).
Здесь приводится содержание лекции которую Поллак прочитал на 32-ых ежегодных лекциях (2008 г.) в Университете Вашингтона.
По ходу изложения приводятся ссылки на литературу
Особая благодарность Семкиной Алёне за удачный перевод лекции.
Итак,
Джеральд Поллак «Вода, Энергия и Жизнь: Свежий Взгляд с Границы Воды»
Поговорим о воде, энергии и биологии. И посмотрим свежим взглядом на пограничную воду.
Житейский опыт подсказывает необычность пограничной воды.
Водная граница образует множество красивых пейзажей и подводных ландшафтов. На границе раздела двух фаз, вода - твёрдое тело, концентрируется жизнь.
Или обратим внимание на облака. Они также имеют достаточно чёткие границы, несмотря на то, что вода испаряется с поверхности океана и распространяться равномерно по всему небу. Водяной пар, фактически, объединяется в отдельные облака. Но как так? Почему влажность внутри облака равна 100 процентам, а прямо рядом с ним она практически нулевая? И как же так получилось, что мы не знаем ответ на этот вопрос? Мы на самом деле не понимаем воду так хорошо, как нам кажется.
Помимо того что вода концентрируется в облаках она ещё и концентрирует потенциальную энергию и электрический заряд. Вспомним гром и молнию. По большому счёту для их возникновения требуется только вода и энергия солнечного излучения. Как же вода и энергия излучения разделяют заряды?
Другой пример пограничной воды - гель. Это протеин и 95% воды. И если вы поднимаете кусочек геля, то почему же вода не выливается и даже не выжимается из него? Там же так много воды! Гель - это сеть из белков или полимеров. А внутренние полости имеют множество больших открытых пространств, в большинстве случаев заполненных только водой. Молекула воды - малюсенькая часть одной из тех малых полостей. Итак, как же эта вода просто не выливается?
Другая загадка. Мы видим водяных насекомых, передвигающихся по поверхности воды и они не проваливаются. То же самое происходит с монетой.
Она - тяжелее, явно более плотная, чем вода. Почему же она держится на поверхности? Понятно, что это поверхностное натяжение, а причина существования натяжения по современным представлениям два или три слоя воды, отличающейся от всей остальной. Но как могут несколько слоёв молекул иметь такое высокое натяжение? Почему же, когда вы ныряете с высокого трамплина, вы рискуете сломать себе шею?
Так что, тут далеко не всё ясно…
А теперь - лабораторные наблюдения, которые ещё более загадочные, и о которых большинство действительно не знает.
Итак, возьмём мензурку и наполним её суспензией микросфер в воде. Микросферы - имеют размер один-два микрона, в воде они находятся во взвешенном состоянии и поэтому вода кажется мутной.
Если оставить такую суспензию, на всю ночь, а на следующий день вернуться и заглянуть в эту мензурку сверху. И что, думаете, вы увидите? Вы увидите дыру в середине! Если это не противоречит вашей интуиции, то я не знаю, что ещё может вас удивить…
Каким-то образом микросферы покидают некоторую точку около центральной, это не обязательно должен быть точно центр, и перемещаются в направлении внешней границы. Почему это происходит?
Теперь рассмотрим другой опыт. Это выглядит очень просто, вы можете повторить это в любой лаборатории. Рядом друг с другом стоят две мензурки, наполненные водой.
Поместим по электроду в каждую мензурку, и подадим на них высокое напряжение между ними. И что, вы думаете, произойдёт? А происходит вот что: сначала между мензурками образуется мостик и если затем раздвинуть пробирку в стороны, то этот мостик сохранится. И вы можете растянуть его .
Это просто вода, между ними нет ничего, кроме воды. Как же так?
Я полагаю, что существует настоящее притяжение внутри воды. И, возможно это иное понимание, станет основой для нового единого понимания природы. И это в точности то направление, которое которому мы сегодня следуем, о котором мне хотелось бы поговорить.
Молекула воды представляет собой диполь с положительным зарядом с одной стороны и отрицательным зарядом с другой. И если есть поверхность с зарядом на ней, то можно ожидать, что диполи начнут ориентироваться и притягиваться образуя несколько слоёв около поверхности.
И по причине тепловых колебаний, эти слои будут иметь конечное продолжение. В соответствии с современной теорией два-три молекулярных слоя, не более. Это можно найти в любом учебнике. Получается, вода не очень интересна. Вода - это всего лишь пара молекулярных слоёв, которые упорядочены, а после них вся вода, по существу, - обычная объёмная вода. Ну, не очень интересно…
С другой стороны то, что я хочу показать вам - это то, что порядок в пограничной воде не заканчивается двумя или тремя слоями, он простирается очень, очень далеко. Мы имеем дело не с двумя или тремя слоями, а с двумя или тремя миллионами слоями воды.
Итак, экспериментальный подход к постижению того, насколько далеко может распространяться этот порядок - очень прост, возможно, даже наивен.
Мы знаем, что растворенное вещество будет находиться там, где молекулы воды свободнее и легче гидратируют одиночные частицы растворенного вещества. Более того, область кристаллизации растворителя отторгает любые растворенные вещества, которые не вписываются в его кристаллическую решетку. Это энергетически выгодно.
Идея эксперимента заключается в том, чтобы просто посмотреть, как растворенное вещество будет распределяться в той области, которая нас интересует и увидеть, как далеко она простирается.
Итак, первый эксперимент действительно примитивен. Мы берём гель, в нашем случае поливиниловый спирт (PVA - polyvinylalcohol), и суспензию микросфер. Просто приливаем суспензию к поверхности геля и смотрим, что происходит. Это масштаб 10 микрон, запомните это.
А происходит следующее. Микросферы начинают удаляться от поверхности геля и продолжают удаляться, пока не останавливаются на значительном расстоянии от поверхности. Зона без частиц простирается 50, 60, 70 микрометров, а это сотни тысяч слоёв воды, связанных с поверхностью. Итак, это одно из первых видео, можно сказать, историческое.
Мы опробовали несколько других гелей. Вот гель полиакриловой кислоты:
Вы можете видеть зону исключения простирающуюся на 250 микрон, а это четверть миллиметра, так что её можно увидеть невооруженным глазом. Итак, это и есть так называемая «зона исключения». Мы называем её также, более лёгкой, или лёгкой водой в противоположность тяжёлой воде, в которой всё это содержится.
Итак, во-первых, должно существовать какое-то простое объяснение для этого, возможно даже артефакт, потому как это абсолютно неожиданно. Во-вторых, поскольку зона исключения достаточно большая надо полагать, что кто-то должен был обнаружить её раньше. И действительно, мы нашли, что 35 лет назад кое-кто действительно нашёл её раньше нас, но мы не знали об этом.
Итак, мы потратили год в поисках возможных тривиальных объяснений этому и первая мысль, которая приходит в голову, что, может быть, гель сжимается и если он сжимается, то вода выходит наружу и то, что вы видите - это вышедшая вода.
Другая идея заключалась в том, что микросферы взаимодействуют друг с другом, и это отрывает их от поверхности.
Следующее предположение состоит в том, что полимер диффундирует из геля и эта зона содержит некоторое вещество, которое и создаёт эту зону.
Также предполагали, что полимерные нити вытягиваются с поверхности, и их достаточно чтобы выталкивать вещество.
И некий тип мистического дальнодействующего отталкивающего взаимодействия.
Все возможные артефакты допускающие тривиальное объяснение были рассмотрены и научно опровергнуты в статье (Zheng and Pollack, Physical Review E, 66: 031408, 2003).
А именно:
• Постоянное сжатие геля
• Взаимодействие между микросферами
• Диффузия полимера из геля
• Выступающие полимерные нити
• Дальнодействующая сила отталкивания
Не являются причиной возникновения зоны исключения.
По-видимому, данное явление указывает на существование очень дальнего порядка в воде, что неожиданно, и если это действительно так, тогда большая часть воды во вселенной является не обычной объёмной водой, которая описана в учебниках, а жидким кристаллом.
И если так, то это может стать основой для новой парадигмы, и объяснит многие аномалии воды.
Для раскрытия темы ответим на пять вопросов о сути данного явления:
1. Является ли это общим явлением или оно специфично только для перечисленных выше гелей?
2. Действительно ли это проистекает из упорядочения воды или для этого есть другие объяснения?
3. Может ли упорядочение воды объяснить некоторые аномалии, которые я показывал вам в начале?
4. Этот тип упорядочения требует энергии и откуда берётся энергия?
5. И, наконец, какие критические проблемы могут разрешить эти находки? Почему нам это может быть интересно?
=============================================================================
Вопрос №1:
Общность явления
- Поверхности
- Растворы
Является ли это свойство общим в смысле типов поверхностей? Рассмотрим два типа поверхности: гидрофобные и гидрофильные. Напомним, что на гидрофобной поверхности капля воды будет собираться в виде сферы, а на гидрофильной - равномерно растекаться.
И мы обнаружили, что на гидрофобных поверхностях эффект не проявляется, только на гидрофильных поверхностях. Для примера мы рассмотрели поверхности различных гидрофильных гелей, все они приводят к возникновению зоны исключения:
Мы изучили также биологические образцы. Мышечная ткань один из примеров.
При взаимодействии микросфер и мышечной ткани в водном буфере наблюдается зона исключения, очевидно, не такая полная, как в случае с гелями, но около поверхности мускула гораздо меньше микросфер, чем вдали от неё.
Выяснилось, что это лишь один пример из тех нескольких биологических образцов, что мы рассмотрели.
Также мы работали с мономолекулярным слоем.
Слева подложка из золота. Мономолекулярный слой содержит заряженные группы. Мы использовали различные заряженные группы. Видно что и в этом случае зона исключения образуется. Слева поверхность, справа микросферы, между ними зона исключения.
Кроме гелей мы использовали полимерные материалы. Наиболее удобен - нафион, который часто используется в топливных элементах.
Обратите внимание на 200 микронную отметку. Наконечник, вырезанный из пластины нафиона, очень тонкий и лежит в плоскости экрана. Посмотрите как это происходит во времени. Ускорение 20-кратное.
Можно увидеть, как открывается зона исключения и затем простирается всё дальше и дальше, простирается примерно до 500 микрон, это что-то порядка полумиллиметра или 400 микрометров - в любом случае, макроскопический масштаб.
Таким образом, множество гидрофильных поверхностей создают зону исключения. А в общем случае, мы считаем, что и заряженные гидрофобные поверхности также будут создавать зону исключения.
Теперь перейдём к растворам. Какие же растворы «исключаются»? Мы рассмотрели полистироловые микросферы, кварцевые микросферы, красные кровяные тельца (эритроциты), бактерии, коллоидное золото, золу.
Если мы прейдём к более мелким частицам, то одним из примеров был белок - флуоресцентно-меченый альбумин. Альбумин является типичным белком, который многие используют.
На изображении временной ряд, показанный сверху вниз. На верхнем экране благодаря флюоресценции вы видите нафион. Он находится в воде.
Ниже на втором экране добавлен белок, флуоресцентный альбумин, соединением и видно яркое свечение, но также видно и то, что по правой стороне находится зона «исключения», которая растёт. Она всё растёт и растёт… В результате, видно, что и белок «исключается» аналогично микросферам.
Даже ещё более мелкие частицы образуют зону исключения. На фотографии показано образование этой зоны в растворе, содержащем флуоресцирующий натрий (Na), молекулярной массы 376 дальтонов (атомных единиц массы). Итак, наверху слева кусочек нафиона в воде. И на втором экране на первой секунде мы добавляем, и можно видеть, как очень быстро формируется зона и становится всё шире и шире.
И даже ещё меньшие, по размеру частицы pH-чувствительных красителей - представляющих собой набор молекул с типичным молекулярным весом от 100 до 200 дальтонов, также образуют зону исключения.
Внизу находится кусочек нафиона, и сразу выше - это зона исключения, в которой нет красителя. Итак, красители исключаются, но есть ещё кое-что интересное, что может привлечь ваш взгляд.
Появляется своего рода цветовой градиент, что указывает на градиент pH. Это значит, что ближе к поверхности наибольшее количество протонов, а по мере удаления их концентрация уменьшается. И это будет очень важно через некоторое время. А пока важным замечанием является то, что краситель исключается.
Подводя итог, можно ответить на вопрос что многие гидрофильные поверхности порождают зоны исключения и многие растворы исключаются. Итак, это объективно общее явление.
Переходим ко второму вопросу:
Вопрос №2
Есть ли физическое отличие между зоной исключения и объёмной водой?
Вопрос № 2: «Действительно ли эта зона отличается физически от объёмной воды?»
Мы использовали несколько методов, чтобы посмотреть, действительно ли отличается эта зона.
Подтверждение того, что ЗИ имеет физические отличия опубликованы в печати:
[Zheng et al., Advances in Colloid and Interface Science, 127; 19-27, 2006]
Методы исследований:
ЯМР - определение свободы молекул
Инфракрасное излучение - температура и коэффициент излучения
Электрический потенциал - градиент означает разделение зарядов
Спектр поглощения света - характеризует структуры
Вязкость (вискозиметр с падающим шариком) - жидкость vs. патока
Поляризационная микроскопия - являются ли молекулы выстроенными?
Ядерно-магнитный резонанс
Первое исследование - это ядерно-магнитный резонанс. Сейчас он действительно является проверкой молекулярной свободы. Молекулы возбуждаются магнитным полем и затем релаксируют. По релаксации вы можете судить, являются ли они связанными или свободными. По существу, это отображение того, что
происходит.
Это гель, который находится рядом с водой снизу. Взгляните на область границы раздела, примерно соответствующую зоне исключения. Тёмная область на такой плёнке говорит о том, что молекулы не могут свободно вращаться. Итак, у нас есть зона размером примерно как ЗИ. И она отлична от всей остальной части воды. Можно заключить, что молекулы ЗИ являются более связанными (скованными, несвободными) чем молекулы воды, находящиеся дальше.
Инфракрасное излучение
Следующим мы использовали инфракрасное излучение. Полученное с помощью инфракрасной камеры изображение является функцией температуры и излучательной способности материала.
Итак, то, что мы видим здесь - это кусок нафиона сверху, окружённый водой, никаких микросфер, только вода.
(Изображение в ИК излучении, E. Khijniak)
И если вы посмотрите на область воды, то увидите, что верхняя часть воды - тёмная, а нижняя - светлая. Это похоже на своего рода границу между двумя фазами. Возражение, что объёмная вода темнее, чем пограничная в силу того что она более холодная, снимается длительностью экспозиции. Это изображение, делалось в течение многих минут. И нет причин думать, что здесь должен быть такой резкий градиент температуры, который мог бы держаться так долго. Потому как температура стремиться к выравниванию в любой точке системы.
Другая интерпретация состоит в том, что структура в более тёмной области имеет меньшую излучательную способность, она более устойчивая. И вследствие этого, она не излучает так сильно, как остальная вода. Это самое вероятное объяснение этому явлению.
Итак, получается, что зона исключения - более устойчива, чем вода на расстоянии.
Электрический потенциал
Следующим было - измерение электрического потенциала, потому что электрические градиенты подразумевают наличие разделения зарядов, что не ожидало для воды, т.к. она должна быть нейтральной.
Итак, мы сделали измерения, представленные здесь. Что мы сделали: у нас был гель, он слева, отмечен «inside», и вода, справа - «outside». Левый край области, отмеченной «outside», это поверхность геля.
Мы использовали пару микроэлектродов. Один из них - удалённый, а другой располагался в разных местах, на разных расстояниях от поверхности геля.
На графике PAA показаны измерения для геля полиакриловой кислоты. Разность потенциалов в точке значительно удаленной от поверхности - 0, что и следовало ожидать
Но по мере приближения к поверхности происходит усиление отрицательного потенциала. Область отрицательного потенциала примерно совпадает с размерами зоны исключения.
На графике nafion. Те же самые замеры для пластины из нафиона. Можно увидеть, что потенциал начинает изменяться дальше от поверхности, что соответствует большей зоне исключения для нафиона.
Итак, по сути, всегда, когда у вас есть зона исключения, у вас есть отрицательный потенциал. А отрицательный потенциал означает, что у вас есть отрицательный заряд.
Создается ситуация, которая выглядит примерно так:
Но есть здесь кое-что, что кажется неправильным, потому как у нас есть только вода, и как же возможно, что вода содержит отрицательные заряды? Есть два варианта: первый вариант - это то, что зона исключения каким-то образом добывает электроны или может терять протоны.
Мы подумали, что последнее - более вероятно, и когда мы провели измерение рН в области, примыкающей к зоне исключения, мы обнаружили гигантскую концентрацию протонов.
На изображении красная полоса слева нафион, затем идёт зона исключения - отрицательно заряженная, а за ней область объемной воды с гигантской концентрацией положительно заряженных протонов.
Итак, по существу, мы имеем здесь зону исключения, она заряжена отрицательно, и зону за ней - это область объемной воды, которая заряжена положительно.
Это - батарейка.
Заряженная батарейка.
Если это так то, погружая один электрод в отрицательную, а другой - в положительную область, мы должны получить ток между ними. И это именно то, что мы и получаем. Если измерить ток как функцию времени, то получается кривая, которая выглядит примерно так:
Очевидно, что это электрический ток между отрицательно заряженной зоной и положительно заряженной зоной. И он подтверждает, что заряды на самом деле разделены.
Итак, измерения электрического потенциала показывают, что зона исключения имеет отрицательный заряд, а обычная вода - не имеет его.
Спектр поглощения света - характеризует структуры
Спектр поглощения света. По нему типично определяется электронные состояния. И для того, чтобы провести эти эксперименты, мы использовали следующее устройство.
Начинаем с щели, она шириной около сотни микрон и благодаря этому через щель создаётся узкое окно для света, который затем попадает во вторую щель и в спектрофотометр.
И суть эксперимента показана здесь, в этой кювете. Итак, у нас есть пластина нафиона с одной стороны и вода с другой. Мы можем менять позицию кюветы перпендикулярно ходу лучей для детального исследования областей воды примыкающих к нафиону.
Результаты эксперимента показаны на графике:
По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат - размеры поглощения. Можно видеть, что на расстоянии 400 микрон от поверхности, при протяженности зоны исключения примерно до 500 микрон, поглощения почти нет. По мере приближения наблюдается гигантский пик поглощения на 270 нм. Итак, мы показали что вода в области зоны исключения имеет очень сильное характерное поглощение, а объёмная вода - ничего подобного.
Пик поглощения света в зоне исключения приходится на 270 нм.
Итак, из этого мы делаем вывод, что вода в зоне исключения определённо отличается.
Вязкость (вискозиметр с падающим шариком)
Следующим этапом мы рассмотрели вязкость. Мы использовали очень простой метод: вискозиметр с падающим шариком.
Мы смотрели на то, с какой скоростью шарик падает. Конечно, нас интересовала зона прямо над нафионом, потому что это - зона исключения. Вопрос заключается в том, снижает ли скорость шарик, когда попадает туда, встречаясь с более высокой вязкостью. Вы можете посмотреть видео, на котором снято несколько падающих шариков. Начиная сверху, они падают с нормальной скоростью, в середине они падают примерно с той же скоростью, но как только они приближаются к поверхности, а это поверхность нафиона, можно видеть как они замедляются, почти останавливаются и проходят очень, очень медленно. Это движение изображено на графике, где по ординате отложена высота в микрометрах. Можно видеть замедление падения шарика по мере снижения. И поскольку он замедляется значительно, это значит, что вязкость становится много больше.
Рядом - контрольная поверхность у которой нет зоны исключения и, как и следовало ожидать, нет эффекта. Итак, зона исключения является более вязкой, чем обычная вода.
Поляризационная микроскопия - являются ли молекулы ориентированными?
И наконец, мы использовали поляризационную микроскопию. Использовался гель агарозы (слева) и вода (справа). Можно видеть, что на границе находится область, которая снова примерно соответствует зоне исключения, и в которой молекулы ориентированы, что видно по этой яркой полосе.
Мы также проводим химические эксперименты. Показано изображение кусочка нафиона.
Основной цвет объёмной воды голубой. Любое изменение цвета в результате реакции показатель упорядоченности молекул. Очевидно, что области ориентированных молекул на границе с нафионом очень хорошо согласуются и в размерах и в распределении с зоной исключения, которую вы видели.
Итак, что же мы имеем, отвечая на этот вопрос:
Доказательство того, что вода зоны исключения физически отличается от объёмной воды опубликованы в Adv. Colloid Interface Sci, 127: 19-27, 2006
Итак, очевидно, что вода ЗИ - отлична от обычной воды. И если взглянуть на 2 верхние и 1 нижнюю строки, можно понять немного больше об этой воде. Молекулы - более связанные, молекулы - более устойчивые, молекулы проявляются как ориентированные.
А это значит то, что мы имеем жидкий кристалл, ситуацию, когда молекулы очень хорошо ориентированы друг относительно друга.
Итак, к этому моменту мы имеем: зона исключения имеет отрицательный заряд, является жидкокристаллической и простирается очень, очень далеко. Можно подумать, что это могло бы быть чем-то вроде четвёртой фазы воды.
Мы все читали в учебниках химии, что вода имеет три фазовых состояния, так? Это лёд, жидкость и газ. Но существует четвёртая фаза, и она является жидкокристаллической. Было впервые предложено сто лет назад сэром Томасом Харди в 1912 году.
поражаюсь, как же много работы было проделано за эти годы 100 лет назад в этом направлении. На самом деле, мы недавно выкопали кое-что, что даже читается с трудом, называние «Глубина приповерхностной зоны жидкости». И если вы сможете прочесть, наверху справа написано 1949. Эта работа, опубликованная в 1949 подводит итог всех данных о поведении различных жидкостей близ поверхностей. И там дано более сотни ссылок на работы, сделанные до 1949, которые показывают, что эти жидкости - организованны, и организованы они в областях порядка сотен микрон от поверхности.
Что же случилось, что после примерно 1950, а около 1950 это было хорошо известно, например, Альберт С. Жорж, который получил Нобелевскую премию за работы по открытию витамина С и имел многие другие ценные достижения, в одной из нескольких своих книг писал: «Жизнь - это вода, танцующая под мелодию макромолекул». Итак, в то время было действительно очень хорошо известно, что вода - исключительно важна. Так что же случилось?
А случилось пара, можно сказать, провалов. Один из них касался так называемой «поливоды», которая изначально была обнаружена русскими и оказалась артефактом, и затем, 20 лет спустя, был другой результат, его назвали памятью воды и снова он оказался другим провалом, и кто-то потерял карьеру, предполагая, что молекулы воды могут иметь память.
И я помню совет, который мне дали в самом начале моей карьеры, когда я ничего не знал о воде, кроме того, что она хороша для питья: «вы можете исследовать любое направление, но держитесь подальше от воды, потому как она действительно опасна».
Я думаю, это то, что произошло за период в 50 лет, и вот почему некоторая информация первой половины прошлого века совершенно утеряна.
Итак, на 2 вопрос «Является ли зона исключения физически отличной от объёмной воды?» можно определенно ответить: «да, так и есть. И она проявляется как жидкокристаллическая».
____________________________________________________________________
Вопрос №3
Может ли жидкокристаллическая вода объяснить аномалии, противоречащие интуиции?
Какое поведение мы ожидаем от жидких кристаллов? Ну, мы ждём, что кристаллы, знаете, например, могут расти. И вот, этот интересный слайд, получен в нашей лаборатории.
Здесь внизу у основания кусок нафиона и отдельные маленькие выпуклости на его поверхности. Это - лишь простое следствие расширения нафиона за счёт гидратации. Но заметьте, что зона исключения здесь не просто огибает эти препятствия параллельно поверхности. Зона исключения начинает расти. Как видно на изображении зона исключения растёт, как растут кристаллы, в разных местах, и на очень большие расстояния.
Вы также можете заметить другую особенность - зона роста окружена красным. И помните, красный в этом красителе указывает на положительный заряд, на протоны.
Итак, действительно интересно, что, как и для кристалла, вы ожидаете, роста ЗИ, и она на самом деле растёт. И она точно так же окружена протонами. Вы можете видеть это не только с помощью этих красителей, но также с помощью микросфер. Не слишком хорошо видно, но всё же можно разглядеть растущую зону исключения. А рост происходит в гигантской камере длиной в метр. Здесь показан один конец цилиндрической ёмкости.
Слева расположен кусочек нафиона и сразу за ним находится ЗИ, которая, однако, растёт. И будет расти постоянно, а иногда и до конца камеры длиной в 1 метр.
Здесь аналогичная картина. Это - другая большая камера и снова ЗИ растёт. И иногда она даже ветвится.
Это характерно для кристаллов.
Элементы кристалла слипаются друг с другом для того, чтобы построить кристалл. Понятно, почему вода не вытекает из геля. Потому что полости наполнены не обычной объёмной водой, а жидким кристаллом. Кристалл приклеивается к поверхности протеина, а также слоями соединяется друг к другом, и потому не вытекает.
Жидкокристаллическая вода на самом деле очень желеподобная. И гелеобразное состояние, укрепляется, вероятно, водой, а не белками геля.
Было обнаружено, что кристаллическая вода также вырастает на границе раздела между воздухом и водой. И вот пример этого явления.
Камера из двух параллельных стеклянных пластин расположенных достаточно близко друг к другу и заполняется суспензией с микросферами. То, что происходит через несколько минут - показано здесь. Итак, сверху - воздух, это тёмная область, затем идёт мениск - это белая линия, которая проходит от края до края, и в самом низу, мутность - это вода плюс микросферы. На образование этой зоны уходит минут 20 или около того. И это не связано с осаждения микросфер, которые оседают несколько часов.
И вот, чистая зона - очень похожа на зону исключения, и, фактически, концентрирует тонкий гель воды как кромку. Теперь, представьте, на поверхности мы имеем не один или два молекулярных слоя, мы имеем тонкую кромку, которая может быть в миллиметр толщиной и может иметь три миллиона молекул или около того и иметь характеристики геля. Теперь посмотрите, что происходит на этом видео.
Если коснуться стеклянной палочкой поверхности, а затем двигать, её вдоль, можно увидеть что гель воды реально существует. Нижняя часть границы микросферы/гель, двигается вслед за верхней.
Это объясняет, почему предметы, тяжелее воды могут не тонуть в ней. Потому что там много структурных слоёв, а не просто два или три структурных слоя. Очень высокое поверхностное натяжение создают 2-3 миллиона структурных слоёв.
Кристаллы могут быть довольно твёрдыми
Вы знаете, что кристаллы могут быть достаточно твёрдыми, например как алмаз. Вернёмся к водному мостику, который, как мы видели, растягивается не разрушаясь. Прочность обеспечивается жидкокристаллическим состоянием воды.
И, наконец, причина, почему свободные, положительно заряженные протоны, не проникают в отрицательно заряженную зону исключения, состоит в том, что это - жидкий кристалл. Если бы это было не так, то противоположные заряды соединились бы со скоростью тока и рассеялись. Но этого не происходит, а причина - в том, что это - жидкий кристалл.
Итак, ответ на вопрос №3: «Да. Кристаллическая вода действительно объясняет некоторые аномалии явно простым образом». Она объясняет также, почему заряды водной батареи остаются разделёнными.
Серьёзным подтверждением существования дальнего порядка в воде могут служить исследования Джеральда Поллака (США).
Здесь приводится содержание лекции которую Поллак прочитал на 32-ых ежегодных лекциях (2008 г.) в Университете Вашингтона.
По ходу изложения приводятся ссылки на литературу
Особая благодарность Семкиной Алёне за удачный перевод лекции.
Итак,
Джеральд Поллак «Вода, Энергия и Жизнь: Свежий Взгляд с Границы Воды»
Поговорим о воде, энергии и биологии. И посмотрим свежим взглядом на пограничную воду.
Житейский опыт подсказывает необычность пограничной воды.
Водная граница образует множество красивых пейзажей и подводных ландшафтов. На границе раздела двух фаз, вода - твёрдое тело, концентрируется жизнь.
Или обратим внимание на облака. Они также имеют достаточно чёткие границы, несмотря на то, что вода испаряется с поверхности океана и распространяться равномерно по всему небу. Водяной пар, фактически, объединяется в отдельные облака. Но как так? Почему влажность внутри облака равна 100 процентам, а прямо рядом с ним она практически нулевая? И как же так получилось, что мы не знаем ответ на этот вопрос? Мы на самом деле не понимаем воду так хорошо, как нам кажется.
Помимо того что вода концентрируется в облаках она ещё и концентрирует потенциальную энергию и электрический заряд. Вспомним гром и молнию. По большому счёту для их возникновения требуется только вода и энергия солнечного излучения. Как же вода и энергия излучения разделяют заряды?
Другой пример пограничной воды - гель. Это протеин и 95% воды. И если вы поднимаете кусочек геля, то почему же вода не выливается и даже не выжимается из него? Там же так много воды! Гель - это сеть из белков или полимеров. А внутренние полости имеют множество больших открытых пространств, в большинстве случаев заполненных только водой. Молекула воды - малюсенькая часть одной из тех малых полостей. Итак, как же эта вода просто не выливается?
Другая загадка. Мы видим водяных насекомых, передвигающихся по поверхности воды и они не проваливаются. То же самое происходит с монетой.
Она - тяжелее, явно более плотная, чем вода. Почему же она держится на поверхности? Понятно, что это поверхностное натяжение, а причина существования натяжения по современным представлениям два или три слоя воды, отличающейся от всей остальной. Но как могут несколько слоёв молекул иметь такое высокое натяжение? Почему же, когда вы ныряете с высокого трамплина, вы рискуете сломать себе шею?
Так что, тут далеко не всё ясно…
А теперь - лабораторные наблюдения, которые ещё более загадочные, и о которых большинство действительно не знает.
Итак, возьмём мензурку и наполним её суспензией микросфер в воде. Микросферы - имеют размер один-два микрона, в воде они находятся во взвешенном состоянии и поэтому вода кажется мутной.
Если оставить такую суспензию, на всю ночь, а на следующий день вернуться и заглянуть в эту мензурку сверху. И что, думаете, вы увидите? Вы увидите дыру в середине! Если это не противоречит вашей интуиции, то я не знаю, что ещё может вас удивить…
Каким-то образом микросферы покидают некоторую точку около центральной, это не обязательно должен быть точно центр, и перемещаются в направлении внешней границы. Почему это происходит?
Теперь рассмотрим другой опыт. Это выглядит очень просто, вы можете повторить это в любой лаборатории. Рядом друг с другом стоят две мензурки, наполненные водой.
Поместим по электроду в каждую мензурку, и подадим на них высокое напряжение между ними. И что, вы думаете, произойдёт? А происходит вот что: сначала между мензурками образуется мостик и если затем раздвинуть пробирку в стороны, то этот мостик сохранится. И вы можете растянуть его .
Это просто вода, между ними нет ничего, кроме воды. Как же так?
Я полагаю, что существует настоящее притяжение внутри воды. И, возможно это иное понимание, станет основой для нового единого понимания природы. И это в точности то направление, которое которому мы сегодня следуем, о котором мне хотелось бы поговорить.
Молекула воды представляет собой диполь с положительным зарядом с одной стороны и отрицательным зарядом с другой. И если есть поверхность с зарядом на ней, то можно ожидать, что диполи начнут ориентироваться и притягиваться образуя несколько слоёв около поверхности.
И по причине тепловых колебаний, эти слои будут иметь конечное продолжение. В соответствии с современной теорией два-три молекулярных слоя, не более. Это можно найти в любом учебнике. Получается, вода не очень интересна. Вода - это всего лишь пара молекулярных слоёв, которые упорядочены, а после них вся вода, по существу, - обычная объёмная вода. Ну, не очень интересно…
С другой стороны то, что я хочу показать вам - это то, что порядок в пограничной воде не заканчивается двумя или тремя слоями, он простирается очень, очень далеко. Мы имеем дело не с двумя или тремя слоями, а с двумя или тремя миллионами слоями воды.
Итак, экспериментальный подход к постижению того, насколько далеко может распространяться этот порядок - очень прост, возможно, даже наивен.
Мы знаем, что растворенное вещество будет находиться там, где молекулы воды свободнее и легче гидратируют одиночные частицы растворенного вещества. Более того, область кристаллизации растворителя отторгает любые растворенные вещества, которые не вписываются в его кристаллическую решетку. Это энергетически выгодно.
Идея эксперимента заключается в том, чтобы просто посмотреть, как растворенное вещество будет распределяться в той области, которая нас интересует и увидеть, как далеко она простирается.
Итак, первый эксперимент действительно примитивен. Мы берём гель, в нашем случае поливиниловый спирт (PVA - polyvinylalcohol), и суспензию микросфер. Просто приливаем суспензию к поверхности геля и смотрим, что происходит. Это масштаб 10 микрон, запомните это.
А происходит следующее. Микросферы начинают удаляться от поверхности геля и продолжают удаляться, пока не останавливаются на значительном расстоянии от поверхности. Зона без частиц простирается 50, 60, 70 микрометров, а это сотни тысяч слоёв воды, связанных с поверхностью. Итак, это одно из первых видео, можно сказать, историческое.
Мы опробовали несколько других гелей. Вот гель полиакриловой кислоты:
Вы можете видеть зону исключения простирающуюся на 250 микрон, а это четверть миллиметра, так что её можно увидеть невооруженным глазом. Итак, это и есть так называемая «зона исключения». Мы называем её также, более лёгкой, или лёгкой водой в противоположность тяжёлой воде, в которой всё это содержится.
Итак, во-первых, должно существовать какое-то простое объяснение для этого, возможно даже артефакт, потому как это абсолютно неожиданно. Во-вторых, поскольку зона исключения достаточно большая надо полагать, что кто-то должен был обнаружить её раньше. И действительно, мы нашли, что 35 лет назад кое-кто действительно нашёл её раньше нас, но мы не знали об этом.
Итак, мы потратили год в поисках возможных тривиальных объяснений этому и первая мысль, которая приходит в голову, что, может быть, гель сжимается и если он сжимается, то вода выходит наружу и то, что вы видите - это вышедшая вода.
Другая идея заключалась в том, что микросферы взаимодействуют друг с другом, и это отрывает их от поверхности.
Следующее предположение состоит в том, что полимер диффундирует из геля и эта зона содержит некоторое вещество, которое и создаёт эту зону.
Также предполагали, что полимерные нити вытягиваются с поверхности, и их достаточно чтобы выталкивать вещество.
И некий тип мистического дальнодействующего отталкивающего взаимодействия.
Все возможные артефакты допускающие тривиальное объяснение были рассмотрены и научно опровергнуты в статье (Zheng and Pollack, Physical Review E, 66: 031408, 2003).
А именно:
• Постоянное сжатие геля
• Взаимодействие между микросферами
• Диффузия полимера из геля
• Выступающие полимерные нити
• Дальнодействующая сила отталкивания
Не являются причиной возникновения зоны исключения.
По-видимому, данное явление указывает на существование очень дальнего порядка в воде, что неожиданно, и если это действительно так, тогда большая часть воды во вселенной является не обычной объёмной водой, которая описана в учебниках, а жидким кристаллом.
И если так, то это может стать основой для новой парадигмы, и объяснит многие аномалии воды.
Для раскрытия темы ответим на пять вопросов о сути данного явления:
1. Является ли это общим явлением или оно специфично только для перечисленных выше гелей?
2. Действительно ли это проистекает из упорядочения воды или для этого есть другие объяснения?
3. Может ли упорядочение воды объяснить некоторые аномалии, которые я показывал вам в начале?
4. Этот тип упорядочения требует энергии и откуда берётся энергия?
5. И, наконец, какие критические проблемы могут разрешить эти находки? Почему нам это может быть интересно?
=============================================================================
Вопрос №1:
Общность явления
- Поверхности
- Растворы
Является ли это свойство общим в смысле типов поверхностей? Рассмотрим два типа поверхности: гидрофобные и гидрофильные. Напомним, что на гидрофобной поверхности капля воды будет собираться в виде сферы, а на гидрофильной - равномерно растекаться.
И мы обнаружили, что на гидрофобных поверхностях эффект не проявляется, только на гидрофильных поверхностях. Для примера мы рассмотрели поверхности различных гидрофильных гелей, все они приводят к возникновению зоны исключения:
- - поливиниловый спирт;
- - полиакриловая кислота;
- - полиамид;
- - polyHEMA
- - коллаген
- - агароза
Мы изучили также биологические образцы. Мышечная ткань один из примеров.
При взаимодействии микросфер и мышечной ткани в водном буфере наблюдается зона исключения, очевидно, не такая полная, как в случае с гелями, но около поверхности мускула гораздо меньше микросфер, чем вдали от неё.
Выяснилось, что это лишь один пример из тех нескольких биологических образцов, что мы рассмотрели.
Также мы работали с мономолекулярным слоем.
Слева подложка из золота. Мономолекулярный слой содержит заряженные группы. Мы использовали различные заряженные группы. Видно что и в этом случае зона исключения образуется. Слева поверхность, справа микросферы, между ними зона исключения.
Кроме гелей мы использовали полимерные материалы. Наиболее удобен - нафион, который часто используется в топливных элементах.
Обратите внимание на 200 микронную отметку. Наконечник, вырезанный из пластины нафиона, очень тонкий и лежит в плоскости экрана. Посмотрите как это происходит во времени. Ускорение 20-кратное.
Можно увидеть, как открывается зона исключения и затем простирается всё дальше и дальше, простирается примерно до 500 микрон, это что-то порядка полумиллиметра или 400 микрометров - в любом случае, макроскопический масштаб.
Таким образом, множество гидрофильных поверхностей создают зону исключения. А в общем случае, мы считаем, что и заряженные гидрофобные поверхности также будут создавать зону исключения.
Теперь перейдём к растворам. Какие же растворы «исключаются»? Мы рассмотрели полистироловые микросферы, кварцевые микросферы, красные кровяные тельца (эритроциты), бактерии, коллоидное золото, золу.
Если мы прейдём к более мелким частицам, то одним из примеров был белок - флуоресцентно-меченый альбумин. Альбумин является типичным белком, который многие используют.
На изображении временной ряд, показанный сверху вниз. На верхнем экране благодаря флюоресценции вы видите нафион. Он находится в воде.
Ниже на втором экране добавлен белок, флуоресцентный альбумин, соединением и видно яркое свечение, но также видно и то, что по правой стороне находится зона «исключения», которая растёт. Она всё растёт и растёт… В результате, видно, что и белок «исключается» аналогично микросферам.
Даже ещё более мелкие частицы образуют зону исключения. На фотографии показано образование этой зоны в растворе, содержащем флуоресцирующий натрий (Na), молекулярной массы 376 дальтонов (атомных единиц массы). Итак, наверху слева кусочек нафиона в воде. И на втором экране на первой секунде мы добавляем, и можно видеть, как очень быстро формируется зона и становится всё шире и шире.
И даже ещё меньшие, по размеру частицы pH-чувствительных красителей - представляющих собой набор молекул с типичным молекулярным весом от 100 до 200 дальтонов, также образуют зону исключения.
Внизу находится кусочек нафиона, и сразу выше - это зона исключения, в которой нет красителя. Итак, красители исключаются, но есть ещё кое-что интересное, что может привлечь ваш взгляд.
Появляется своего рода цветовой градиент, что указывает на градиент pH. Это значит, что ближе к поверхности наибольшее количество протонов, а по мере удаления их концентрация уменьшается. И это будет очень важно через некоторое время. А пока важным замечанием является то, что краситель исключается.
Подводя итог, можно ответить на вопрос что многие гидрофильные поверхности порождают зоны исключения и многие растворы исключаются. Итак, это объективно общее явление.
Переходим ко второму вопросу:
Вопрос №2
Есть ли физическое отличие между зоной исключения и объёмной водой?
Вопрос № 2: «Действительно ли эта зона отличается физически от объёмной воды?»
Мы использовали несколько методов, чтобы посмотреть, действительно ли отличается эта зона.
Подтверждение того, что ЗИ имеет физические отличия опубликованы в печати:
[Zheng et al., Advances in Colloid and Interface Science, 127; 19-27, 2006]
Методы исследований:
ЯМР - определение свободы молекул
Инфракрасное излучение - температура и коэффициент излучения
Электрический потенциал - градиент означает разделение зарядов
Спектр поглощения света - характеризует структуры
Вязкость (вискозиметр с падающим шариком) - жидкость vs. патока
Поляризационная микроскопия - являются ли молекулы выстроенными?
Ядерно-магнитный резонанс
Первое исследование - это ядерно-магнитный резонанс. Сейчас он действительно является проверкой молекулярной свободы. Молекулы возбуждаются магнитным полем и затем релаксируют. По релаксации вы можете судить, являются ли они связанными или свободными. По существу, это отображение того, что
происходит.
Это гель, который находится рядом с водой снизу. Взгляните на область границы раздела, примерно соответствующую зоне исключения. Тёмная область на такой плёнке говорит о том, что молекулы не могут свободно вращаться. Итак, у нас есть зона размером примерно как ЗИ. И она отлична от всей остальной части воды. Можно заключить, что молекулы ЗИ являются более связанными (скованными, несвободными) чем молекулы воды, находящиеся дальше.
Инфракрасное излучение
Следующим мы использовали инфракрасное излучение. Полученное с помощью инфракрасной камеры изображение является функцией температуры и излучательной способности материала.
Итак, то, что мы видим здесь - это кусок нафиона сверху, окружённый водой, никаких микросфер, только вода.
(Изображение в ИК излучении, E. Khijniak)
И если вы посмотрите на область воды, то увидите, что верхняя часть воды - тёмная, а нижняя - светлая. Это похоже на своего рода границу между двумя фазами. Возражение, что объёмная вода темнее, чем пограничная в силу того что она более холодная, снимается длительностью экспозиции. Это изображение, делалось в течение многих минут. И нет причин думать, что здесь должен быть такой резкий градиент температуры, который мог бы держаться так долго. Потому как температура стремиться к выравниванию в любой точке системы.
Другая интерпретация состоит в том, что структура в более тёмной области имеет меньшую излучательную способность, она более устойчивая. И вследствие этого, она не излучает так сильно, как остальная вода. Это самое вероятное объяснение этому явлению.
Итак, получается, что зона исключения - более устойчива, чем вода на расстоянии.
Электрический потенциал
Следующим было - измерение электрического потенциала, потому что электрические градиенты подразумевают наличие разделения зарядов, что не ожидало для воды, т.к. она должна быть нейтральной.
Итак, мы сделали измерения, представленные здесь. Что мы сделали: у нас был гель, он слева, отмечен «inside», и вода, справа - «outside». Левый край области, отмеченной «outside», это поверхность геля.
Мы использовали пару микроэлектродов. Один из них - удалённый, а другой располагался в разных местах, на разных расстояниях от поверхности геля.
На графике PAA показаны измерения для геля полиакриловой кислоты. Разность потенциалов в точке значительно удаленной от поверхности - 0, что и следовало ожидать
Но по мере приближения к поверхности происходит усиление отрицательного потенциала. Область отрицательного потенциала примерно совпадает с размерами зоны исключения.
На графике nafion. Те же самые замеры для пластины из нафиона. Можно увидеть, что потенциал начинает изменяться дальше от поверхности, что соответствует большей зоне исключения для нафиона.
Итак, по сути, всегда, когда у вас есть зона исключения, у вас есть отрицательный потенциал. А отрицательный потенциал означает, что у вас есть отрицательный заряд.
Создается ситуация, которая выглядит примерно так:
Но есть здесь кое-что, что кажется неправильным, потому как у нас есть только вода, и как же возможно, что вода содержит отрицательные заряды? Есть два варианта: первый вариант - это то, что зона исключения каким-то образом добывает электроны или может терять протоны.
Мы подумали, что последнее - более вероятно, и когда мы провели измерение рН в области, примыкающей к зоне исключения, мы обнаружили гигантскую концентрацию протонов.
На изображении красная полоса слева нафион, затем идёт зона исключения - отрицательно заряженная, а за ней область объемной воды с гигантской концентрацией положительно заряженных протонов.
Итак, по существу, мы имеем здесь зону исключения, она заряжена отрицательно, и зону за ней - это область объемной воды, которая заряжена положительно.
Это - батарейка.
Заряженная батарейка.
Если это так то, погружая один электрод в отрицательную, а другой - в положительную область, мы должны получить ток между ними. И это именно то, что мы и получаем. Если измерить ток как функцию времени, то получается кривая, которая выглядит примерно так:
Очевидно, что это электрический ток между отрицательно заряженной зоной и положительно заряженной зоной. И он подтверждает, что заряды на самом деле разделены.
Итак, измерения электрического потенциала показывают, что зона исключения имеет отрицательный заряд, а обычная вода - не имеет его.
Спектр поглощения света - характеризует структуры
Спектр поглощения света. По нему типично определяется электронные состояния. И для того, чтобы провести эти эксперименты, мы использовали следующее устройство.
Начинаем с щели, она шириной около сотни микрон и благодаря этому через щель создаётся узкое окно для света, который затем попадает во вторую щель и в спектрофотометр.
И суть эксперимента показана здесь, в этой кювете. Итак, у нас есть пластина нафиона с одной стороны и вода с другой. Мы можем менять позицию кюветы перпендикулярно ходу лучей для детального исследования областей воды примыкающих к нафиону.
Результаты эксперимента показаны на графике:
По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат - размеры поглощения. Можно видеть, что на расстоянии 400 микрон от поверхности, при протяженности зоны исключения примерно до 500 микрон, поглощения почти нет. По мере приближения наблюдается гигантский пик поглощения на 270 нм. Итак, мы показали что вода в области зоны исключения имеет очень сильное характерное поглощение, а объёмная вода - ничего подобного.
Пик поглощения света в зоне исключения приходится на 270 нм.
Итак, из этого мы делаем вывод, что вода в зоне исключения определённо отличается.
Вязкость (вискозиметр с падающим шариком)
Следующим этапом мы рассмотрели вязкость. Мы использовали очень простой метод: вискозиметр с падающим шариком.
Мы смотрели на то, с какой скоростью шарик падает. Конечно, нас интересовала зона прямо над нафионом, потому что это - зона исключения. Вопрос заключается в том, снижает ли скорость шарик, когда попадает туда, встречаясь с более высокой вязкостью. Вы можете посмотреть видео, на котором снято несколько падающих шариков. Начиная сверху, они падают с нормальной скоростью, в середине они падают примерно с той же скоростью, но как только они приближаются к поверхности, а это поверхность нафиона, можно видеть как они замедляются, почти останавливаются и проходят очень, очень медленно. Это движение изображено на графике, где по ординате отложена высота в микрометрах. Можно видеть замедление падения шарика по мере снижения. И поскольку он замедляется значительно, это значит, что вязкость становится много больше.
Рядом - контрольная поверхность у которой нет зоны исключения и, как и следовало ожидать, нет эффекта. Итак, зона исключения является более вязкой, чем обычная вода.
Поляризационная микроскопия - являются ли молекулы ориентированными?
И наконец, мы использовали поляризационную микроскопию. Использовался гель агарозы (слева) и вода (справа). Можно видеть, что на границе находится область, которая снова примерно соответствует зоне исключения, и в которой молекулы ориентированы, что видно по этой яркой полосе.
Мы также проводим химические эксперименты. Показано изображение кусочка нафиона.
Основной цвет объёмной воды голубой. Любое изменение цвета в результате реакции показатель упорядоченности молекул. Очевидно, что области ориентированных молекул на границе с нафионом очень хорошо согласуются и в размерах и в распределении с зоной исключения, которую вы видели.
Итак, что же мы имеем, отвечая на этот вопрос:
- во-первых, молекулы зоны исключения более связанные, в сравнении с внешней водой, которая не связанна.
- Молекулы ЗИ более стабильны, в сравнении с объёмной водой, которая менее стабильна. У ЗИ есть отрицательный заряд, в сравнении с обычной водой, у которой его нет.
- ЗИ поглощает при 270нм, в отличие от объёмной воды, которая не поглощает.
- И ЗИ более вязкая, чем обычная вода, а молекулы в ней молекулы ориентированы.
Доказательство того, что вода зоны исключения физически отличается от объёмной воды опубликованы в Adv. Colloid Interface Sci, 127: 19-27, 2006
- - Молекулы ЗИ - более связанные (ЯМР)
- - Молекулы ЗИ - более устойчивые (инфракрасное излучение)
- - ЗИ имеет отрицательный заряд (электрический потенциал)
- - ЗИ поглощает на 270 нм (спектр поглощения света)
- - ЗИ - более вязкая (вискозиметр с падающим шариком)
- - Молекулы ЗИ - ориентированы (поляризационная микроскопия)
Итак, очевидно, что вода ЗИ - отлична от обычной воды. И если взглянуть на 2 верхние и 1 нижнюю строки, можно понять немного больше об этой воде. Молекулы - более связанные, молекулы - более устойчивые, молекулы проявляются как ориентированные.
А это значит то, что мы имеем жидкий кристалл, ситуацию, когда молекулы очень хорошо ориентированы друг относительно друга.
Итак, к этому моменту мы имеем: зона исключения имеет отрицательный заряд, является жидкокристаллической и простирается очень, очень далеко. Можно подумать, что это могло бы быть чем-то вроде четвёртой фазы воды.
Мы все читали в учебниках химии, что вода имеет три фазовых состояния, так? Это лёд, жидкость и газ. Но существует четвёртая фаза, и она является жидкокристаллической. Было впервые предложено сто лет назад сэром Томасом Харди в 1912 году.
поражаюсь, как же много работы было проделано за эти годы 100 лет назад в этом направлении. На самом деле, мы недавно выкопали кое-что, что даже читается с трудом, называние «Глубина приповерхностной зоны жидкости». И если вы сможете прочесть, наверху справа написано 1949. Эта работа, опубликованная в 1949 подводит итог всех данных о поведении различных жидкостей близ поверхностей. И там дано более сотни ссылок на работы, сделанные до 1949, которые показывают, что эти жидкости - организованны, и организованы они в областях порядка сотен микрон от поверхности.
Что же случилось, что после примерно 1950, а около 1950 это было хорошо известно, например, Альберт С. Жорж, который получил Нобелевскую премию за работы по открытию витамина С и имел многие другие ценные достижения, в одной из нескольких своих книг писал: «Жизнь - это вода, танцующая под мелодию макромолекул». Итак, в то время было действительно очень хорошо известно, что вода - исключительно важна. Так что же случилось?
А случилось пара, можно сказать, провалов. Один из них касался так называемой «поливоды», которая изначально была обнаружена русскими и оказалась артефактом, и затем, 20 лет спустя, был другой результат, его назвали памятью воды и снова он оказался другим провалом, и кто-то потерял карьеру, предполагая, что молекулы воды могут иметь память.
И я помню совет, который мне дали в самом начале моей карьеры, когда я ничего не знал о воде, кроме того, что она хороша для питья: «вы можете исследовать любое направление, но держитесь подальше от воды, потому как она действительно опасна».
Я думаю, это то, что произошло за период в 50 лет, и вот почему некоторая информация первой половины прошлого века совершенно утеряна.
Итак, на 2 вопрос «Является ли зона исключения физически отличной от объёмной воды?» можно определенно ответить: «да, так и есть. И она проявляется как жидкокристаллическая».
____________________________________________________________________
Вопрос №3
Может ли жидкокристаллическая вода объяснить аномалии, противоречащие интуиции?
Какое поведение мы ожидаем от жидких кристаллов? Ну, мы ждём, что кристаллы, знаете, например, могут расти. И вот, этот интересный слайд, получен в нашей лаборатории.
Здесь внизу у основания кусок нафиона и отдельные маленькие выпуклости на его поверхности. Это - лишь простое следствие расширения нафиона за счёт гидратации. Но заметьте, что зона исключения здесь не просто огибает эти препятствия параллельно поверхности. Зона исключения начинает расти. Как видно на изображении зона исключения растёт, как растут кристаллы, в разных местах, и на очень большие расстояния.
Вы также можете заметить другую особенность - зона роста окружена красным. И помните, красный в этом красителе указывает на положительный заряд, на протоны.
Итак, действительно интересно, что, как и для кристалла, вы ожидаете, роста ЗИ, и она на самом деле растёт. И она точно так же окружена протонами. Вы можете видеть это не только с помощью этих красителей, но также с помощью микросфер. Не слишком хорошо видно, но всё же можно разглядеть растущую зону исключения. А рост происходит в гигантской камере длиной в метр. Здесь показан один конец цилиндрической ёмкости.
Слева расположен кусочек нафиона и сразу за ним находится ЗИ, которая, однако, растёт. И будет расти постоянно, а иногда и до конца камеры длиной в 1 метр.
Здесь аналогичная картина. Это - другая большая камера и снова ЗИ растёт. И иногда она даже ветвится.
Это характерно для кристаллов.
Элементы кристалла слипаются друг с другом для того, чтобы построить кристалл. Понятно, почему вода не вытекает из геля. Потому что полости наполнены не обычной объёмной водой, а жидким кристаллом. Кристалл приклеивается к поверхности протеина, а также слоями соединяется друг к другом, и потому не вытекает.
Жидкокристаллическая вода на самом деле очень желеподобная. И гелеобразное состояние, укрепляется, вероятно, водой, а не белками геля.
Было обнаружено, что кристаллическая вода также вырастает на границе раздела между воздухом и водой. И вот пример этого явления.
Камера из двух параллельных стеклянных пластин расположенных достаточно близко друг к другу и заполняется суспензией с микросферами. То, что происходит через несколько минут - показано здесь. Итак, сверху - воздух, это тёмная область, затем идёт мениск - это белая линия, которая проходит от края до края, и в самом низу, мутность - это вода плюс микросферы. На образование этой зоны уходит минут 20 или около того. И это не связано с осаждения микросфер, которые оседают несколько часов.
И вот, чистая зона - очень похожа на зону исключения, и, фактически, концентрирует тонкий гель воды как кромку. Теперь, представьте, на поверхности мы имеем не один или два молекулярных слоя, мы имеем тонкую кромку, которая может быть в миллиметр толщиной и может иметь три миллиона молекул или около того и иметь характеристики геля. Теперь посмотрите, что происходит на этом видео.
Если коснуться стеклянной палочкой поверхности, а затем двигать, её вдоль, можно увидеть что гель воды реально существует. Нижняя часть границы микросферы/гель, двигается вслед за верхней.
Это объясняет, почему предметы, тяжелее воды могут не тонуть в ней. Потому что там много структурных слоёв, а не просто два или три структурных слоя. Очень высокое поверхностное натяжение создают 2-3 миллиона структурных слоёв.
Кристаллы могут быть довольно твёрдыми
Вы знаете, что кристаллы могут быть достаточно твёрдыми, например как алмаз. Вернёмся к водному мостику, который, как мы видели, растягивается не разрушаясь. Прочность обеспечивается жидкокристаллическим состоянием воды.
И, наконец, причина, почему свободные, положительно заряженные протоны, не проникают в отрицательно заряженную зону исключения, состоит в том, что это - жидкий кристалл. Если бы это было не так, то противоположные заряды соединились бы со скоростью тока и рассеялись. Но этого не происходит, а причина - в том, что это - жидкий кристалл.
Итак, ответ на вопрос №3: «Да. Кристаллическая вода действительно объясняет некоторые аномалии явно простым образом». Она объясняет также, почему заряды водной батареи остаются разделёнными.