БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 2, с. 408-411

ДИСКУССИИ

УДК 546.212: 541.12.012.3+534.14

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖИДКОЙ ВОДЕ

МИРЭА - Российский технологический университет, 119454, Москва, просп. Вернадского, 78

E-mail: a.n.smirnov@mail.ru

Поступила в редакцию 22.01.2015 г.

После доработки 28.05.2015 г.

Принята к публикации 18.11.2019 г.

Изложены новые экспериментальные факты, свидетельствующие об образовании надмолекуляр-

ных комплексов воды - эмулонов с линейными размерами 1-100 мкм и временем релаксации свы-

ше одной секунды, состоящих из пяти фракций. Для доказательства их существования применены

метод акустической эмиссии, оптический и термический методы. Разрушение эмулонов при повы-

шении температуры порождает в водной среде солитоны. Обнаруженные новые структурные обра-

зования - эмулоны - вносят существенные коррективы в представления о строении и свойствах

жидкой фазы воды.

Ключевые слова: структура воды, эмулоны, акустическая эмиссия, опттические определения,

термический анализ, солитоны.

DOI: 10.31857/S0006302920010258

Для воды характерна ярко выраженная спо-

тельное время сохраняется неравновесной - та-

собность к самоорганизации вследствие образо-

кой, какой она была во льду, т. е. лед плавится

вания водородных связей [1,2]. Структура жидкой

конгруэнтно. Поскольку реакция диссоциации

воды была предметом обширных исследований

воды H₂O → H⁺ + OH^- протекает очень медленно

[3-5]. Предложенные теории удовлетворительно

(константа скорости этой реакции составляет

объясняют только часть наблюдаемых явлений.

Нами в тщательно очищенной воде обнаружено

всего 2.5 ∙ 10^-5 c^-1при температуре 20°C), время

пять фракций надмолекулярных комплексов диа-

релаксации талой воды в равновесное состояние

метром от 1 до 100 мкм. Они имеют характерные

должно быть равно 10-17 ч, что и наблюдается на

свойства, и для этих надмолекулярных образова-

практике. Это служит причиной разговоров о

ний наиболее подходит название «эмулоны». Раз-

«памяти» воды. «Память воды» следует понимать

меры и пространственная организация эмулонов

как зависимость ее свойств от предыстории и ни-

зависят от состава водных растворов, предысто-

чего больше. Ни о какой записи информации на

рии образцов воды и температуры. Эмулоны в во-

воду речи быть не может. Можно перевести воду в

де образуют единую систему, построенную по

активное состояние обработкой ультразвуком,

фрактальному принципу. Фрактальную размер-

замораживанием, нагреванием, кипячением, дез-

ность системы эмулонов определили методом

интегрированием и др., но это всегда будут не-

box-counting. Оказалось, что она равна 1.47-1.54.

устойчивые метастабильные состояния. Оптиче-

Исследование процесса плавления льда [6, 7]

ским методом в талой воде обнаружено присут-

ствие лишь фракции эмулонов с малыми

позволило впервые обнаружить генерацию сиг-

налов акустической эмиссии «талой» водой. Воз-

размерами порядка 1-3 мкм. Этим и объясняется

никновение дискретных сигналов акустической

то, что она ускоряет биологические процессы в

эмиссии после полного плавления льда можно

живых организмах [8] - мелкие структурные об-

объяснить только структурными перестройками в

разования быстрее проникают через клеточные

«талой» воде. Талая вода некоторое время (до су-

мембраны. Для визуализации эмулонов приме-

ток) может находиться в «активном» метаста-

нен описанный ранее [9] метод с использованием

бильном состоянии. Объясняется это тем, что

лазерного излучения, который позволяет уловить

при плавлении льда кристаллическая структура

незначительную разницу в показателях прелом-

разрушается быстрее, чем перестраивается в

ления двух «фаз» воды. Использовали гелий-нео-

устойчивое равновесное состояние образовавша-

новый лазер ЛГН-208А (Polyaron, Киев, Украи-

яся из него «талая вода». В талой воде концентра-

на), мощностью 1.9 мВт, диаметр пучка лазерного

ция ионов водорода и гидроксила непродолжи-

излучения на расстоянии 40 мм - 0.6 мм, линей-

408

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖИДКОЙ ВОДЕ

409

Рис. 2. Изменение содержания эмулонов в талой воде

во времени.

Рис. 1. Эмулоны в воде. Размер кадра 400 × 400 мкм.

пять типов микроструктурных образований. По-

вышение температуры выше порогового уровня

ное отклонение луча относительно геометриче-

приводит к их последовательному распаду. Самое

ской оси посадочных мест излучателя - 0.06 мм.

замечательное состоит в том, что эти температуры

Результаты получены в стандартных кварцевых

точно совпадают с характерными температурами,

флюорометрических кюветах. Они не зависели от

при которых скорость звука в воде и плотность

использованной кюветы. Численное и массовое

воды максимальны, адиабатическая сжимаемость

распределение эмулонов (размерные спектры)

воды и ее теплоемкость минимальны, а также с

определяли с помощью лазерного малоуглового

другими аномальными точками воды [10, 11], что

измерителя дисперсности Malvern 3600 Ec (Mal-

не может быть случайным. Разрушение эмулонов

vern, Великобритания). В опытах использована

может сопровождаться возникновением солито-

дистиллированная пирогенная вода, очищенная

нов. Качественно это явление можно описать с

при помощи системы MilliQ Academic (Millipore,

помощью модели phi-4 c асимметрическим

США). Воду фильтровали через ядерные филь-

двухъямным потенциалом V(u) [12]. Данная мо-

тры с диаметром пор 0.2 мкм (ОИЯИ, Дубна Мос-

дель представляет цепочку из эмулонов, которая

ковской области). Для исследований ее использо-

может находиться в нескольких устойчивых со-

вали не ранее, чем через сутки. На рис. 1 приведен

стояниях. При низких температурах основным

снимок, полученный при максимально достигну-

будет состояние, при котором все эмулоны нахо-

том увеличении.

дятся в более глубокой яме, а при высоких - со-

стояние, при котором часть из них распалась, а

Ионы водорода [H⁺] и гидроксила [OH^-] игра-

остальные находятся в более широкой яме. Ре-

ют решающую роль в формировании эмулонов в

зультаты численного моделирования образова-

воде. Гидратированные ионы H⁺· n₁H₂O и OH^-·

ния солитона в цепочке из N = 1000 звеньев при

· n₂H₂O образуют ионные пары, из которых, веро-

повышении температуры T > T₀, где T₀ - темпе-

ятно, и строятся эмулоны, включающие до 10⁷-

ратура основного состояния цепи, приведены на

10⁹ этих частиц. На рис. 2 можно видеть посте-

рис. 4. Такой переход сопровождается распро-

пенное уменьшение содержания в талой воде

странением по цепи топологического солитона,

фракций эмулонов с небольшим диаметром (3-

обусловленного локальным переходом из одного

10 мкм) и увеличение количества фракций диа-

состояния в другое. Сложная организация струк-

метром 70-100 мкм. Существование эмулонов

туры воды как единого ансамбля, включающего в

подтверждено методом дифференциального тер-

себя надмолекулярные комплексы, приводит к

мического анализа. На термограммах (см. рис. 3)

тому, что свойства водной системы не оказыва-

обнаружены характерные пики, свидетельствую-

ются простой суммой свойств отдельных струк-

щие о структурных изменениях, происходящих в

турных элементов, а возникает новое качество -

системе. Наиболее значимые из них соответству-

свойство кооперативности. В таком ансамбле от-

ют температурам 75, 63, 54, 45 и 36°C. Это позво-

дельные структурные элементы могут менять

ляет сделать вывод: жидкая вода является неодно-

свою форму и размеры согласованно. Это под-

родной системой, включающей как минимум

тверждается опытами. Именно такой сценарий

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

410

СМИРНОВ и др.

Рис. 3. Относительное изменение температуры при нагревании воды. Выше этой температуры вода становится гомо-

генной системой, дальнейший нагрев не приводит к генерации солитонов.

изменения структуры воды можно наблюдать

Распад эмулонов сопровождается некоторым

экспериментально при нагреве дна длинного ци-

сокращением объема воды. Это хорошо заметно

линдрического сосуда, заполненного водой и по-

на графике, представленном на рис. 5. Несколько

ставленного вертикально на нагреваемую поверх-

ступенек на кривой свидетельствуют о фазовых

ность. При равномерном освещении на фоне

превращениях в жидкой воде. На графике изме-

экрана с периодической структурой в некоторый

нения объема воды при повышении температуры

момент времени образуется равномерно движу-

хорошо заметны небольшие максимумы, обу-

щаяся вдоль сосуда светлая полоска - солитон.

словленные последовательным распадом эмуло-

Эффект повторяется пять раз, до достижения

нов. Замечательно, что они очень хорошо корре-

температуры 75°C.

лируют с тепловыми эффектами, выявляемыми

Полидисперсная структура эмулонов, суще-

методом дифференциально-термического анали-

ствующая в воде, приводит к полимодальному от-

за (см. рис. 3). Это позволяет утверждать, что рас-

клику на внешние воздействия, проявлению ги-

пад эмулонов является фазовым переходом пер-

стерезисных явлений и значительным временам

вого рода. Небольшие расхождения связаны со

релаксации.

значительным гистерезисом, разными объемами

Рис. 4. Зависимость от времени t состояний M_n цепей n из N = 1000 эмулонов при повышении температуры.

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖИДКОЙ ВОДЕ

411

учного обоснования и предсказать ряд новых эф-

фектов.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

интересов.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая работа не содержит описания ка-

ких-либо исследований с использованием людей

и животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Г. Л. Зацепина, Физические свойства и структура

Рис. 5. Расширение воды при нагревании.

воды (Изд-во МГУ, М., 1998).

2. Д. Эйзенберг и В. Кауцман, Структура и свойства

воды (Гидрометеоиздат, Л., 1975).

образцов, инерционностью системы измерений и

3. Т. Эрдеи-Груз, Явления переноса в водных растворах

другими чисто техническими моментами.

(Мир, М., 1976).

4. О. Я. Самойлов, Структура водных растворов

Становится понятно, почему жидкая вода лег-

электролитов и гидратация ионов (Изд-во АН

ко меняет свойства при воздействии различных

СССР, М., 1957).

факторов иногда очень малой интенсивности. На

5. В. Я. Антонченко, А. С. Давыдов и В. С. Ильин,

изменения структуры водных растворов в про-

Основы физики воды (Наук. думка, Киев, 1991).

цессе исследований следует обращать серьезное

6. А. Н. Смирнов, Рос. хим. журн. 45, 29 (2001).

внимание, особенно при биологических опытах,

7. Д. М. Кузнецов, В. Л. Гапонов и А. Н. Смирнов,

поскольку вода, в большинстве случаев, является

Инженерная физика, № 1, 16 (2008).

первичной мишенью многих воздействий на био-

8. М. А. Аскоченская и Н. С. Петинов, Успехи со-

логические системы.

врем. биологии 73 (2), 288 (1972).

Обнаруженные новые структурные образова-

9. А. Н. Смирнов, Физика живого 18 (2), 5 (2010).

ния - эмулоны - вносят существенные коррек-

10. Физические величины. Справочник (Энергоатомиз-

тивы в представления о структуре воды. Наличие

дат, М., 1991).

их в воде непротиворечиво включает в себя и объ-

11. E. Lopez and W. Ortiz, Chem. Phys. Let. 287 (3-4),

ясняет все ранее полученные экспериментальные

429 (1998).

факты. Эмулоны позволяют объяснить многие

12. A. V. Savin, G. P. Tsironis, and A. V. Zolotaryuk, Phys.

явления, которые ранее не имели стройного, на-

Rev. E 56 (3), 2457 (1997).

Structural Transformation in Liquid Water

A.N. Smirnov, A.V. Savin, and A.S. Sigov

MIREA - Russian Technological University, prosp. Vernadskogo 78, Moscow, 119454 Russia

This study reports novel experimental evidence for the formation of water supramolecular complexes (solvent

molecules) ranging from 1 to 100 μm in size with five fractions of solvent molecules the relaxation time of which

was faster than one sec. Optic sensors, acoustic emission technique and thermal analysis were employed to pro-

vide a confirmation of it. When the temperature increases, the decomposition of the solvent molecule leads to

generation of a solutant in an aqueous solution. The observed novel structural formations - solvent molecules

considerably contribute to the understanding of a structure and properties of water liquid phase.

Keywords: structure of water, solvent molecule, acoustic emission, optic sensors, thermal analysis, solutant

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020