Вода принадлежит классу жидкостей, частицы которых формируют местные четырехгранные структуры. tetrahedrality воды – последствие водородных связей между молекулами, которые ограничены к фиксированным направлениям. В исследовании на Слушаниях Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (PNAS) занялись расследованиями исследователи, почему физические свойства воды – как выражено ее диаграммой фазы – так же замечательны, даже по сравнению с другими четырехгранными жидкостями, таковы как кремний и углерод.Четырехгранные жидкости часто моделируются энергетическим потенциалом, названным моделью SW. Жидкость, как предполагается, содержит две фазы – беспорядочное государство, у которого есть высокая вращательная симметрия и четырехгранным образом заказанное государство, которое не делает – в термодинамическом равновесии.
Несмотря на ее простоту, модель точно предсказывает аномальные жидкие поведения. Двумя государственной собственностью управляет лямбда параметра (λ), который описывает относительную силу попарных и межмолекулярных взаимодействий с тремя телами. Выше λ степень четырехгранных увеличений заказа.«Мы поняли это λ который является довольно большим для воды, было ключевым для уникальности этих жидкостей», говорит автор co-лидерства исследования Джон Руссо. «Эффективно, λ управляет степенью tetrahedrality: как λ увеличения, четырехгранные раковины, формирующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергично более стабильными.
Следовательно, эти раковины преодолевают неблагоприятную потерю энтропии, которая сопровождает создание заказа». Местные tetrahedra напоминают твердотельные структуры, который является почему high-λ жидкости кристаллизуют более легко.Непрерывно приспосабливаясь λ они моделировали ряд диаграмм фазы, чтобы смоделировать то, что происходит, когда «простая» жидкость прогрессивно становится более подобной воде. С увеличением λ различные термодинамические и динамические аномалии четырехгранных жидкостей – такие как расширение при низкой температуре и нарушение стандарта закон Аррениуса для распространения – стали более явными.
Однако это не было столь же просто, как «больше tetrahedra равняется более странному поведению». Влияние tetrahedrality максимизировалось для воды, у которой есть λ = 23.15. Выше здесь, поведение плотности, поскольку функция температуры приблизилась нормальный снова, потому что различие в объеме между заказанными и беспорядочными государствами начало понижаться.
Таким образом вода имеет изящно точно настроенный или ценность «Златовласки» λ это позволяет ему перейти легко между порядком и хаотичностью. Это дает ему высоко структурную гибкость в ответ на изменение температуры или давления, которое является происхождением его уникального поведения.«Связывание заметных свойств, таких как вязкость к микроскопическим структурам, то, о чем физическая химия – все», говорит автор co-лидерства Хэджайм Танака. «Вода, самое богатое и все же самое необычное вещество на земле, долго была последним рубежом в этом отношении.
Мы были рады, что простая, известная модель может полностью объяснить странность воды, которая является результатом неустойчивого равновесия между заказом и беспорядком в жидкости».