В чем же убедил? И как? Сейчас спросим…
– Что же за статью протолкнул Бучаченко с риском для своей научной репутации?
– О структуре воды.
– Действительно рисковый поступок. А вы-то как дошли до жизни такой, что стали заниматься подобной «лженаукой»?
– Я тогда занимался исследованиями с помощью ядерно-магнитного резонанса. И решил попытаться исследовать структуру воды, которая давно не давала мне покоя, методом протонно-магнитного резонанса. Причем оборудование мне нужно было не абы какое! Через свои связи среди биофизиков я нашел хороший прибор в кардиологическом центре. 500 Мегагерц! Это был большой дефицит. У нас на химфаке был только 100-мегагерцевый. А тут в пять раз чувствительнее! Мы шутили тогда, что каждый мегагерц стоил тысячу долларов, так что наш, химфаковский прибор стоил 100 тыщ долларов, а «пятисотый» – полмиллиона. Не каждое советское учреждение могло такое оборудование приобрести. Вот на нем-то нам и удалось впервые линию воды расщепить на пять линий.
– Насколько я понимаю, одно вещество должно давать одну линию на спектрограмме.
– Правильно. У нас и было одно вещество – бидистиллят, сверхчистая вода без примесей. Но по той теории, которую я разрабатывал, вода должна была содержать структуру – некое стабильное структурное образование. Если это так, если такое образование существует, первым подтверждением этого должно было стать расщепление спектра. Если в воде существуют стабильные образования, то за счет разного экранирования протонов они должны давать мультиплет, а не синплет, то есть несколько линий вместо одной. И этот эффект можно было пронаблюдать только на очень хорошем приборе с высокой разрешающей способностью. На «сотке» это было сделать невозможно. А на «пятисотке» удалось. И не скажу, что сделать это было просто. Это довольно сложный эксперимент, провести который мне помог мой 15-летний опыт в работах по химической кинетике. Там есть свои тонкости – нужно получить высокую однородность поля и так далее… Получив результат, я его, разумеется, публиковать не стал, а, как требует научная методология, повторил на частоте в 400 с небольшим мегагерц в Институте химфизики. И уж потом стал думать о публикации.
– Как я понимаю, никакой из существующих в науке теорий подобный эффект не предсказывался, кроме вашей? И был полнейшим противоречием всего, что мы знали ранее о воде?
– Так. Это не просто была сенсация. Это многих шокировало. Потому что ничего, кроме образования димеров и тримеров, о которых мы позже поговорим, не изучалось. Химики вообще в эту сторону не лезли, и я могу их понять. Дело в том, что у воды 4 центра образования водородных связей – два положительных водорода и кислород, имеющий два неподеленных электрона, которые «вытарчивают» отрицательным знаком. Всего четыре центра.
…Тут необходимо дать читателю некоторое пояснение. Молекула воды напоминает тетраэдр. Старые люди типа меня помнят советские «треугольные» пакеты с молоком – они как раз и были тетраэдрическими. Натужились? Представили? Каждый угол такого «пакета» – электромагнитный заряд, который готов притянуть заряд другого знака. «Пакет» имеет два плюсовых «контакта» и два минусовых. Через эти «контакты» одна молекула воды может притянуться к другой – торчащим плюсиком к минусику другой молекулы. Но связь эта крайне неустойчивая! Десять в минус двенадцатой секунды может висеть одна молекула на другой, а дальше их вновь растаскивает тепловое движение. Это всем было давно известно и потому никто никогда не вел речь о том, что в воде могут существовать некие стабильные структуры. Действительно, о какой стабильности может идти речь, если две молекулы могут состыковаться только на 10-12 секунды, а дальше снова уйти в бесконечное броуновское мельтешение?
Представьте теперь себе пару молекул воды, которые соединились связью – плюсик с минусиком. Два тетраэдрических пакета молока вы как бы соединили вершинками. Сколько осталось свободных вершинок? Восемь минус две занятых – шесть. К каждой из которых может подсоединиться еще по молекуле. Нет-нет, я помню, что это соединение весьма короткоживущее, мне главное, чтобы вы поняли принцип: у каждого «пакета» два плюсика и два минусика на углах. Которыми они могут цепляться к другим пакетам.
Итак, две молекулы могут организовать на какой-то миг димер, а три – тример. Только тример будет существовать еще меньшее количество времени, чем димер, что понятно: если у нас образовалась сцепленная пара молекул, которая вместе существует 10-12 секунды, нужно, чтобы за этот крохотный промежуток времени, пока они не распались, к ним прицепилась третья молекула и какой-то краткий миг они существовали вместе, прежде чем разлететься.
Но молекул в стакане миллиарды миллиардов. В океане – побольше. Им тесно, и они постоянно «трутся», на краткий миг образовывая друг с другом димеры, тримеры и даже более длинные цепочки и «комки». Так?
Вроде так. Вечный хаос без всяких устойчивых структур. Но…
За счет того, что угол Н-О-Н в молекуле воды составляет 104,5 градуса, чисто геометрически могут образоваться пятичленные циклы. Комплекс из 17 молекул, например, образует шесть таких циклов, что открывает дорогу к дальнейшей стабилизации. Как? Следите за мыслью.
Разумеется, конгломерат аж из семнадцати молекул жить будет совсем недолго, но его образование весьма вероятно. Вы только представьте себе водный массив из триллионов тетраэдрических «молочных пакетов», которые контактируют друг с другом вершинками. В этом массиве всегда будет огромное число димеров, поменьше тримеров, еще поменьше «многомеров» и некоторое число вышеупомянутых тетраэдров. А что это значит?
Это значит, что чисто геометрически у получившегося конгломерата молекул появляется единая плоскость с шестью свободными водородными связями. Которые могут сцепиться с аналогичной плоскостью другого подобного конгломерата.
– Становится возможным одновременное участие шести водородных связей! – радуется Зенин. – И тут незнание химической кинетики сыграло с физиками злую шутку. Физики всю жизнь говорили, что больше, чем 6–8 молекул воды, сцепиться между – не могут: слишком мала вероятность для короткоживущих водородных связей… Но есть такое понятие – константа димеризации, которая характеризует соединение одной молекулы воды с другими. Концентрация димеров делится на произведение концентрации мономеров. Эта константа равна 10 л/моль. Если спросить людей, не знакомых с химической кинетикой: вот в одной плоскости оказалось шесть связей, константа каждой из них равна 10. А константа шести связей чему равна? В лучшем случае скажут, что 60. А их надо перемножать! И тогда получится 106. Миллион! На шесть порядков увеличивается время жизни! Тут как в бизнесе – с червонца дело не начнешь, а с миллиона уже можно.
…Еще раз повторю читателю – здесь срабатывает чистая геометрия. Из-за характерного угла Н-О-Н молекулы могут образовывать такие короткоживущие объемные фигуры, в которых водородные связи лежат в одной плоскости. А реагирование фигур плоскостями сразу с шестью сцепками на порядки увеличивает время жизни ассоциатов.
– А дальше между собой начинают соединяться уже тетраэдрические додекаэдры. Их геометрия такова, что в одной плоскости получаются уже три по шесть связей. А это дает нам 1018. И это число на шесть порядков превышает обычное время жизни водородной связи, равное, как вы помните, 10-12с. Мы проскочили хаос и застабилизировались! Расчеты показывают, что минимальный стабильный кристаллик воды состоит из 912 молекул и геометрически напоминает ромбический куб с углом в 60 градусов. Длина ребра этого кристаллика 29 ангстрем. И 99,6 % воды состоит из таких образований.
Увеличение времени жизни все более крупных ассоциатов происходит, по Зенину, «вследствие углубления ямы потенциальной энергии». Сначала образуются циклы (примерно как в бензольном кольце), потом сферы, похожие на футбольный мяч, состоящий из пятиугольников и шестиугольников, потом тетраэдрический додекаэдр. И так далее.
– Но поскольку идет процесс нарастающей стабилизации, открывается, как говорят кинетики, канал. Это значит, что если есть малая концентрация неких образований, среди которых вдруг возникает константа, которая стабилизирует соединение, процесс начинает идти именно по этому каналу. И по этому каналу все вещество постепенно перетекает в новое состояние. В реальности подобные структуры в воде собираются сразу – как только вода начинает превращаться из пара в жидкость. Иначе бы она просто жидкостью не была, как сероводород. Но поскольку минимальным структурным объектом воды является не молекула, как в сероводороде, а «льдинка» из 912 молекул, то есть объект на три порядка тяжелее одной молекулы, это и делает воду жидкостью… Когда мы все это публиковали и докладывали на конференциях, нам возражали: а почему тогда жидкостью, а не гелем? Почему бы этим кристаллам не соединиться в еще большие образования, полностью затормозив всякую текучесть и превратив воду в вязкий гель? Природа позаботилась об этом.
Геометрически эти кристаллы ничем не отличаются. Но на каждой грани каждого кристалла свой зарядовый рисунок – сочетание плюсиков и минусиков. Потому что на каждую грань вынесено 24 зарядовых центра – кислород или водород. И если вы хотите, чтобы кристаллы гранями соединились, нужна полная комплиментарность – чтобы зарядовый рисунок на одной грани негативно совпадал с зарядовым рисунков на грани другого кристаллика – напротив каждого плюсика должен быть минусик и наоборот. Это практически невероятно. При сборке ассоциатов растет их стабильность, но падает вероятность комплиментарного взаимодействия. Проще найти комплиментарную пару по шести центрам, труднее по 18, а по 24 практически невозможно. Таким образом, мы получаем минимальный структурный элемент воды. Водородные связи между кристаллами воды не образуются.
– А какие образуются?
– Дальние кулоновские взаимодействия. То есть обычные электростатические силы. Если на одной грани кубика плюсиков больше, чем минусиков, и она имеет в целом положительный заряд, кубик этой гранью может подтянуться к в целом отрицательно заряженной грани другого кубика. Водородная связь работает на дистанции 2,8 ангстрема. А здесь порядка 5 ангстрем. То есть между кристаллами больше расстояние, чем между молекулами, составляющими кристалл. Кристаллы висят в кулоновском поле. Они могут собираться в более крупные ячейки до тех пор, пока на поверхности этих скопищ не останутся электронейтральные грани. Как я уже говорил, согласно нашим расчетам, максимальной стабильной ячейкой является ромбический куб из 912 молекул воды, а ячейки воды, состоящие из группы таких кристаллов, достигают размера примерно в полмикрона и легко разрушаются.