WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |

О ВОЗМОЖНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

© аДенисов Д.В., бКуликовский С.Ю., вПопов Д.И., 2004

а. ФТИ им. Иоффе РАН, 194021, СанктПетербург, Рос. Федерация

б. ОИЯИ, Дубна, Московская область, Россия

в. Гос. Университет штата НьюЙорк в Брокпорте, НьюЙорк, 14420, С.Ш.А.

Изложены размышления о возможности получения свойств идеальной электропроводности воды. Вода рассматривается как сложная надмолекулярная структура, в которой возможно образование цепочечных кластеров. Перестройка структуры таких кластеров приводит к переносу заряда и может быть интерпретирована как электронная проводимость без сопротивления в цепочке связей.

Введение Рассмотрим строение воды на мезоскопическом уровне. На этом уровне рассматриваются не отдельные атомы или молекулы, а кластеры – структуры образованные множеством атомов и молекул. Несмотря на их «массивность», кластеры нельзя еще отнести к макроскопическому уровню, так как они в значительной степени определяют внутреннее строение и свойства веществ.

Молекулы H2O полностью определяют свойства воды, а их взаимодействие между собой описывается классическим поведением молекул в жидкости. Эта точка зрения была общепринятой очень долгое время, однако к настоящему времени стали появляться теоретические и экспериментальные данные, которые свидетельствуют о том, что «классический» общепринятый взгляд не отражает полной картины.

В последнее время все большее подтверждение находит тот факт, что строение воды представляет собой сложную надмолекулярную структуру. Этому посвящается все больше работ, как теоретического, так и экспериментального характера [1,2]. Существующие экспериментальные данные свидетельствуют, что молекулы воды образуют кластеры. Эти кластеры, в зависимости от условий их образования, могут иметь различную пространственную организацию и свойства. Также известно, что вода обладает свойством структурной памяти, которая, обусловлена особенностями строения кластеров [2]. Проще говоря, если молекула H2O задает основные свойства воды, то с помощью кластеров определяется огромное множество ее разнообразных дополнительных свойств, регистрируемых методами молекулярной спектроскопии. Большое количество экспериментальных исследований в области структурообразования воды [2,3,4,7] привело к тому, что было предпринято и предпринимается множество попыток теоретически описать внутреннюю структуру воды. Однако имеется множество нерешенных вопросов, связанных с определением того качества, которое понимается под термином «структура жидкости»[5].

1. Водные кластеры Известно, что на образование молекулы H2O в атоме кислорода используются два внешних электрона с 2p оболочки для соединения с атомами водорода. Два оставшихся электрона на 2p оболочке и два электрона на 2s образуют между собой пары и химически не очень активны. Однако можно предположить (и этому есть доказательства [7]), что орбитали электронов на оболочках 2s и 2p гибридизируются таким образом, что четыре неспаренных электрона могут образовывать водородные связи с соседними молекулами воды (рис. 1).

Стоит уточнить, что в молекуле H2O связывающая орбиталь между атомами водорода и кислорода в молекуле занята электроном с водорода и одним электроном с кислорода. Однако незанятыми остаются разрыхляющие орбитали кислорода и водородов с соседних молекул, и именно на них могут перейти четыре электрона с гибридизированных орбиталей атома кислорода. На каждый из атомов водорода приходится одна “дополнительная” разрыхляющая орбиталь, на которую уходит пара электронов с кислорода (на водороде уже не осталось свободных электронов), то есть с помощью четырех неспаренных электронов кислорода можно установить связь с двумя атомами водорода. Разрыхляющая орбиталь имеет намного меньшую стабильность, чем связывающая, поэтому для связи двух молекул воды может использоваться механизм, отличный от описанного здесь. Мы будем придерживаться точки зрения, что между молекулами воды существуют водородные связи, которые намного слабее связей внутри молекулы, однако достаточно сильны, чтобы организовать метастабильную структуру.

Возможны два варианта: молекула воды образует связь с одной соседней молекулой или с двумя (рис. 2). На рисунке 2а показано возможное зарождение ленточной структуры, а на 2б – объемной. Объемные структуры могут быть различны по своему строению и свойствам.

Рис. 1.Конфигурация электронных облаков внешних электронов кислорода в молекуле воды [2].

электронная пара молекулярная связь водородная связь а б Рис. 2.

Эксперименты, проведенные около десяти лет назад [1], показывают, что вода при комнатной температуре на 50% состоит из надмолекулярных образований (кластеров) типа (H2O)2, (H2O)4, (H2O)6. Были рассчитаны возможные устойчивые структуры [2], которые образуют простейшие конгломераты молекул типа (H2O)3, (H2O)4, (H2O)5 (рис. 3). Как видно эти структуры имеют плоскую геометрию, однако, исследования, проведенные для структуры (H2O)6, показывают, что, вопервых, она будет самой устойчивой из выше перечисленных, а вовторых, будет иметь уже трехмерную структуру гексамера (рис. 4). Как видно из рисунка 3, каждая из этих структур имеет атомы водорода, которые еще не участвовали в водородных связях. При определенных условиях с помощью этих атомов водорода простейшие кластеры воды могут образовывать связи и соседними кластерами или молекулами, образуя намного более сложные структуры.

Рис. 3. Схематическое изображение тримера, тетрамера и пентамера – простейших образований (кластеров) молекул воды. 1 – атом водорода, 2 – атом кислорода, 3 – водородная связь.

Рис. 4.Клеткоподобная равновесная структура гексамера (H2O)6 [4].

Рассмотрим вопрос образования кластеров. Предположим, что в начальный момент уже существует зародыш, состоящий из нескольких единиц или десятков молекул. При дальнейшем его развитии очевидно предположить, что он будет продолжать присоединять к себе все новые молекулы воды. Разница в массах между кластером и молекулой такова, что при их столкновении энергия кластера значительно не изменится, однако молекула может потерять значительную часть своей кинетической энергии теплового движения, при этом существует большая вероятность ее захвата в кластер. Этот процесс захвата будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются объемная и поверхностная энергии кластера, что приведет к его равновесию и окончанию роста. Важную роль в этом процессе будет играть тип строения атома: очевидно, что захватить новую молекулу цепочечному кластеру намного сложнее, чем объемному (строение и свойства объемных кластеров тоже могут различаться между собой). Решающим же фактором при развитии кластера будет внешнее воздействие. Именно оно может спровоцировать возникновение однотипных зародышей и их дальнейший рост, что приведет появлению в воде одинаковых кластеров (возможно даже их объединение в один общий) и, следовательно, к появлению определенного свойства или группы свойств. Можно сказать, что поле внешней среды будет формировать определенную структуру кластеров воды, которые, в свою, очередь могут однозначно свидетельствовать об информации их породившей. Кластеры воды – это своеобразные ячейки памяти.

Слияния возможны и при столкновении двух кластеров, что приводит к их резкому росту. Этот процесс роста будет продолжаться до тех пор, пока не сравняется объемная и поверхностная энергия кластера, что в свою очередь сильно зависит от внешних условий. К внешним условиям, в данном случае, можно отнести например, характеристики электромагнитного и электрических полей, температуру. С помощью электромагнитного и электрических полей можно управлять процессом образования новых кластеров, а температура влияет на их устойчивость. Известно, что водородная связь относительно непрочная, но в простейших кольцевых структурах кластеров, изза их симметрии, происходит упрочнение водородных связей, что позволяет простейшим кластерам не распадаться вплоть до температур близких к температуре кипения. Однако в общем случае, связи, которые устанавливаются между простейшими кластерами, не будут симметричны, и не будет происходить их упрочнения, поэтому сложные структуры могут существовать только при относительно невысоких температурах порядка комнатной. При более высоких температурах тепловые флуктуации будут разрушать водородные связи сложных надмолекулярных образований, оставляя только простейшие кластеры. При понижении температуры до нулевой вода будет стремиться перейти к самому низкому по энергии состоянию, соответствующему идеальной кристаллической решетке льда. Многие проведенные эксперименты говорят о том, что сложные большие кластеры величиной более 100A могут быть обнаружены только в очень узком интервале температур, близких к комнатным. Изучению подобных объемных структур в настоящее время уделяется большое внимание, в частности показано, что они могут образовываться в магнитных полях, реагируют на различного вида излучения и обладают эффектом «памяти».

2. Возможность проводимости в воде Рассмотрим самую примитивную и распространенную модель кластера – цепочечную (Рис. 5). С точки зрения структурной организации она минимально информативна, но у нее имеются некоторые особенности, позволяющие говорить о возможности новых интересных применений воды с кластерами такого типа.

Рис. 5.

Представим такую ситуацию, что какимто образом удалось с левого конца цепочки удалить с молекулярной орбитали один из ионов водорода. На самой левой молекуле воды тогда останется одна ненасыщенная связывающая орбиталь. Если при этом удаленный ион водорода заблокировать таким образом, что с ним может образовываться только водородная связь, то одна из водородных связей с атомом соседней молекулы станет молекулярной (рис 6а6б). Это произойдет потому, что атому кислорода крайне невыгодно иметь три разрыхляющих орбитали, и одна из них перейдет в связывающую, на которой и будет находиться молекулярная связь.

На рисунке 6б мы видим, что у второго атома кислорода три водородных связи, как до этого было у первого атома. В этом случае у второго атома кислорода имеется возможность образовать связь с водородом как левой, так и правой соседней молекулы. Если связь образуется с атомом левой молекулы, то мы придем к случаю, показанному на рисунке 6а, и дальнейшая компенсация невозможна изза блокировки удаленного иона водорода. Получается, что единственная возможность компенсации – образование связи с атомом правой соседней молекулы. Этот процесс повторится для всех молекул в цепочке, пока не дойдет до крайней правой (рис. 6д).

В итоге процесса показанного на рисунках 6а6д во всей цепочке перейдет перестройка, которая приведет к тому, что на крайнем правом атоме кислорода останется один нескомпенсированный электрон. Этот электрон вместе с блокированным ионом водорода будет создавать разность потенциалов. Если такую структуру подключить к электрической цепи, то с кластера в цепь уйдет носитель заряда (при соответствующей перестройке крайнего правого атома кислорода). Стоит отметить, что во время описанного процесса по цепочке при ее перестройке справа налево передвигалась связь водорода и кислорода, и в это же время слева направо передвигался нескомпенсированный заряд электрона.

Сложность в создании такого механизма передачи заряда состоит, вопервых, в создании в воде кластеров в виде цепочек, а вовторых, в проблеме блокировки и фиксации крайнего иона водорода. Если удаленный ион водорода не фиксировать, то в цепочке может пойти обратная реакция релаксации и кластер вернется в первоначальное состояние.

При более подробном рассмотрении видно, что перемещается не электрон, а подвижная водородная связь. Выражаясь на языке твердого тела, на рисунке 6а создается дефект, который впоследствии перемещается по цепочке с ее дальнейшей релаксацией. Если обратить внимание на рисунок 6д, то видно, что на правом краю цепочки получился такой же дефект, что был на левом конце цепочки рисунка 6а. Очевидно, что иметь такой дефект крайней правой (да и любой другой) молекуле воды крайне неудобно, изза этого и началась перестройка, поэтому электрон с такой цепочки будет отдаваться во внешнюю среду. Как писалось раньше, при подключении такого кластера молекул воды к электрической цепи, мы будем получать свободный носитель в этой цепи.

Pages:     || 2 |




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.