Японские физики проанализировали, как степень тетраэдричности структуры жидкостей и твердых кристаллов влияет на аномалии их физических свойств. Оказалось, что чем выше тетраэдричность, тем больше жидкость будет похожа на воду и тем больше для нее будет выражена, например, аномалия плотности, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Известно, что вода обладает рядом довольно необычных свойств, связанных с ее структурой. В частности, для нее характерна аномалия плотности: максимальная плотность наблюдается у воды в жидком состоянии примерно при четырех градусах Цельсия. Кроме того, для водного льда известно необычайно много различных фаз с самой разнообразной структурой. Некоторые подобные свойства наблюдаются и у других соединений со схожей — тетраэдрической — структурой молекул: в частности у оксида кремния или простых веществ, образованных элементами четвертой группы: углерода, кремния или германия. Например, недавно японские ученые объяснили, почему при этом некоторые свойства у таких «тетраэдрических» жидкостей похожи, а некоторые, наоборот, сильно отличаются.
На этот раз ученые из той же группы под руководством Хадзиме Танаки (Hajime Tanaka) решили изучить, как на физические свойства таких жидкостей влияет степень тетраэдричности — то есть сила тех взаимодействий, которые стремятся придать жидкости или кристаллу тетраэдрическую структуру (в случае воды, например, за это отвечают направленные водородные связи). Физики исследовали, как ведут себя в зависимости от показателя тетераэдричности параметры потенциала Стиллинжера—Вебера — одного из потенциалов взаимодействия, который часто используется для описания межатомных сил в многочастичных системах и может служить показателем термодинамических свойств жидкостей (в том числе и таких, как аномалия плотности).
Для этого физики построили полную фазовую диаграмму тетраэдрических веществ с различными показателями тетраэдричности во всех трех агрегатных состояниях в зависимости от температуры и давления, в том числе и в области отрицательных давлений — при которых вещество не сжимают, а растягивают. Ученые отмечают, что именно область отрицательных давлений, в которой происходит формирование клатратных структур, позволяет более подробно исследовать аномальные свойства веществ. Например, положительный или отрицательный наклон линии плавления в координатах «давление—температура» в точке нулевого давления становится одним из показателей аномалии плотности (фактически он показывает, что будет плотнее — жидкость или твердый кристалл).
Уменьшая силу тетраэдрических взаимодействий в моделируемом веществе, ученые смогли наблюдать переход от жидкости с аномальным типом поведения (характерного для воды) к обычной жидкости с монотонным изменением плотности при повышении давления. При этом такой переход можно наблюдать не только на линиях плавления, но проявляется он и при оценке других динамических и термодинамических свойств жидкостей, в том числе отклонение от закона Аррениуса при вязком течении.
По словам ученых, полученные фазовые диаграммы, таким образом, однозначно связывают изменение в структурном упорядочивании вещества с аномалиями его термодинамических и динамических свойств, и подтверждают важность образования тетраэдрической структуры для физических свойств воды.
Влияние тетраэдрической структуры на физические свойства характерно не только для относительно простых молекул, таких как вода или оксид кремния, но и для более сложных соединений, например органических комплексов. Например, недавно химики обнаружили, что из-за своей тетраэдрической геометрии некоторые металл-органические каркасные структуры обладают повышенной способностью к формированию стеклообразной фазы.
Александр Дубов