Физики построили универсальную модель воды

Характерная гексагонально-кольцевая структура протонноупорядоченного льда II.

Иллюстрация NPL/University of Edinburgh

Исследователи из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании, Эдинбургского университета и IBM заявили, что им удалось создать модель воды, в которой глобальные свойства жидкости выводятся из ее локального устройства. С соответствующей работой можно ознакомиться в Proceedings of the National Academy of Sciences, а с ее кратким пересказом – в пресс-релизе NPL.

В 1900 году немецкий физик Пауль Друде предложил для описания свойств металлов модель, которая позже была названа его именем. В этой модели использовалась классическая кинетическая теоремя - электроны представляли собой твердые шарики, которые сталкиваются между собой и натыкаются на сравнительно массивные ионы. Позже модель была доработана Хендриком Лоренцом, поэтому иногда ее называют моделью Друде-Лоренца. Несмотря на простоту, эта модель способна описать эффект Холла, удельную проводимость, теплопроводность в металлах и многое другое.

В начале XXI века модель Друде была доработана для нужд моделирования взаимодействия молекул, например, в биологии - возникла так называемая частица Друде или осциллятор Друде. В новой схеме к модельным атомам (твердые сферы) с помощью пружинок присоединяются безмассовые частицы с дробным электрическим зарядом. Динамика взаимодействия молекул, таким образом, оказывается связана с колебанием этих самых частиц вокруг атомов. Такие модели способны демонстрировать, например, эффект поляризации. В середине 2000-х их применяли для создания довольно удобных для вычислений молекул воды.

Гармонический осциллятор в квантовой механике представляет собой квантовый аналог простого гармонического осциллятора. В нем рассматривают не силы, действующие на частицу, а гамильтониан, то есть полная энергию системы. При этом считается, чтопотенциальная энергия квадратично (как и в классическом случае) зависит от координат. Модель квантового гармонического осциллятора служит первым приближением для описания колебательного движения в молекулах и является одной из немногих систем, для которой может быть получено точное решение уравнения Шредингера.
В рамках новой работы исследователи во главе с Владом Соханом (Vlad Sokhan) из NPL применили для описания молекул воды квантовые осцилляторы Друде - следующую итерацию классической модели, основанной на частице Друде, в которой вместо классических осцилляторов подставлены квантовые. Для учета глобальных эффектов ученые использовали разветвленную сеть водородных связей.По их словам, в рамках их модели свойства жидкой воды возникают естественным образом при нормальных условиях. 

Вода обладает целым рядом необычных свойств, нетипичных для других жидкостей и играющей важнейшую роль в химических и биологических процессах. Так, максимум ее плотности достигается при температуре в 4 градуса Цельсия (выше точки замерзания), позволяя водоемам замерзать сверху вниз, что позволяет их обитателям выживать зимой. 

На данный момент многие из особенностей воды, благоприятные для известных форм жизни, с теоретической точки зрения остаются недостаточно ясными. Предпринимались многочисленные попытки понять, как именно молекула такой сравнительной простоты может вести себя столь сложным и необычным образом в широком диапазоне давлений и температур. Однако пока все разработанные учеными модели успешно описывали поведение этой жидкости только для каких-то конкретных диапазонов температуры и давлений.

Новая модель, разработанная группой Сохана, претендует на первое полноценное решение этой проблемы, охватывающее свойства воды от точки фазового перехода газ-жидкость до ее критической точки (374 градуса Цельсия при давлении 218 атмосфер). Ранее в этом году исследователи уже использовали эту модель для описания молекулярной структуры поверхности жидкой воды, соответствующая работа была опубликована в Physical Chemistry Chemical Physics.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.