Cтатьи, принятые к публикации

Физика наших дней


Эффекты дальнодействия в воде

 а, б, в,  а,  б, в
а Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. акад. Курчатова 1, Москва, 123182, Российская Федерация
б Gero, 60 Paya Lebar Road # 05-40B Paya Lebar Square, Singapore, 409051, Republic of Singapore
в Московский физико-технический институт (Государственный университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141700, Российская Федерация

Диполь-дипольное взаимодействие между молекулами полярных жидкостей с водородными связями (ПЖВС) по своей природе является дальнодействующим. В этом смысле имеется сходство ПЖВС с плазмой. В равной степени важны и короткодействующие силы, придающие жидкости устойчивость. Из них особую роль играют водородные связи, которые, вместе с диполь-дипольными взаимодействиями определяют основные свойства ПЖВС и, в частности, воды. В данном обзоре изложены результаты, полученные на основе феноменологической векторной модели полярных жидкостей (ВМПЖ), в которой жидкость описывается вектором поляризации s(r), пропорциональным среднему вектору дипольного момента молекул. Показано, что уже простейшая, минимальная математическая модель удовлетворительно и с разумной степенью точности и детальности воспроизводит известные свойства жидкости на пространственных масштабах >0.3 нм. Модель содержит два пространственных масштаба, имеющих ясный физический смысл, причём больший из них аналогичен дебаевскому радиусу в физике плазмы. Продемонстрирована сравнительная простота и полезность модели для расчета взаимодействия между макроскопическими объектами в ПЖВС. В рамках векторной модели предсказано существование сегнетоэлектрического фазового перехода (СФП) в сильно переохлаждённой метастабильной жидкой воде при температуре ~40° C, что было подтверждено в нескольких опытах. Дано количественное определение свойств смачиваемости поверхностей водой при помощи и показано, что каждая поверхность при определённой температуре характеризуется двумя безразмерными параметрами (при более точном описании - тремя). В общем виде показано, что по признаку смачиваемости большие поверхности, однородные на масштабах >0.3 нм, подразделяются на три типа: гидрофильные - тип I, амфифильные - тип II, а также на поверхности типа III, вблизи которых s=0, но из-за тепловых флуктуаций. В состояниях I и II имеется дальний порядок, который разрушается при повышении температуры при фазовом переходе второго рода. В результате поверхностные слои жидкости переходят в состояние III. Показано, что II → III является ни чем иным, как топологическим фазовым переходом Березинского - Костерлица - Таулесса, в результате которого сегнетоэлектрическое состояние поверхностного слоя II превращается в параэлектрическое III. Обсуждаются опыты, свидетельствующие в пользу данной картины. Расчитанные силы взаимодействия в воде между двумя плоскими поверхностями типов I-I, II-II и I-II согласуются с измерениями. Приведено выражение для силы взаимодействия в паре III-III, которое может быть проверено в опытах. Подходы и методы, обсуждавшиеся в данном обзоре, были использованы для оценки энергии сольватации, состояний протонирования биомакромолекул, расчетов констант диссоциации комплексов белок-лиганд. Благодаря явному учёту эффектов дальнодействия применение ВМПЖ в расчётах систем, содержащих большое число молекул воды, значительно экономит время.

DOI: 10.3367/UFNr.2020.01.038721
Цитата: Меньшиков Л И, Меньшиков П Л, Федичев П О "Эффекты дальнодействия в воде" УФН, принята к публикации

Поступила: 8 апреля 2019, доработана: 19 августа 2019, 15 января 2020

English citation: Men’shikov L I, Menshikov P L, Fedichev P O “Action at a distance effects in waterPhys. Usp., accepted; DOI: 10.3367/UFNe.2020.01.038721

© Успехи физических наук, 1918–2020
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение