Во́дный кла́стер — совокупность молекулводы, соединённых между собой посредством водородных связей. Существование таких кластеров было предсказано теоретически и обнаружено экспериментально[1]. Простейшим примером водного кластера является димер воды[2]. Интерес к изучению водных кластеров вызван их способностью влиять на протекание биологических и других природных процессов[3][4]. Потенциальными областями технологического применения водных кластеров являются инженерия кристаллов[англ.], наноустройства[5][6][7].
По состоянию на 2016 год не было экспериментальных свидетельств существования процесса организованного образования кластеров в чистой воде[8][9]. Формирование водных кластеров происходит в атмосфере, в растворах, вокруг биомолекул, в супрамолекулярных ансамблях[англ.], в кристаллах[англ.][5][10][2][11].
Защитники классической интерпретации структуры жидкостей полагают, что так как период существования кластера в основном объёме весьма мал[12][9] (водородные связи молекулы воды в подобных условиях образовываются и разрываются с частотой около 1012Гц, при этом в среднем такая молекула за секунду проходит путь в 150 000 своих диаметров, равный 44 мкм[13]), то, как следствие, кластер с «мерцающей» структурой и малым временем жизни, по их мнению, не может заметно влиять на свойства воды[3]. Согласно статье химиков Ричарда Сэйкалли[англ.] и Дэвида Уэйлса[англ.] в журнале Science за 2012 г., изучение водных кластеров необходимо для создания «универсальной» модели воды[англ.], исходя из которой с помощью вычислений можно будет точно предсказывать свойства воды во всех её формах, и которая укажет простой путь к разрешению некоторых из многих разногласий относительно природы воды[14]. Возможным развитием такой модели является её обобщение на случай сложных растворов, включающий гидратацию[англ.]биомолекул[15].
Отсылка к явлению водных кластеров нередко используется в околонаучных спекуляциях[16], в которых утверждается, в частности, о существовании у воды «памяти» (например, апологетами гомеопатии), а также о возможности создания и пользе «кластеризованной[англ.]» воды[9].
См. также
- Химия атмосферы
- Инженерия кристаллов[англ.]
- Квантовое туннелирование в воде[англ.]
- Кристаллизационная вода[англ.]
- Модель воды[англ.]
- Поверхностные явления
- Супрамолекулярный ансамбль[англ.]
Примечания
- ↑Pradzynski, Dierking, Zurheide et al., 2014.
- ↑ 12Третьяков, Кошелев, Серов и др., 2014.
- ↑ 12Goncharuk, 2014.
- ↑Vaida, 2011.
- ↑ 12Luna-García, Damián-Murillo, Barba et al., 2005.
- ↑Singh, Lee, Choi et al., 2007.
- ↑Yuan, Zhu, Liu et al., 2010.
- ↑Chaplin, 2006.
- ↑ 123Gibb, 2016.
- ↑Varughese, Desiraju, 2010.
- ↑Authelin, MacKenzie, Rasmussen et al., 2014.
- ↑Guo, Li, Zhang et al., 2009.
- ↑Soper, A. K.[англ.]. Recent water myths : [англ.] // Pure and Applied Chemistry. — 2010. — Vol. 82, no. 10. — P. 1855-1867. — doi:10.1351/PAC-CON-09-12-16.
- ↑Saykally, Wales, 2012.
- ↑Paesani, F. Getting the right answers for the right reasons: toward predictive molecular simulations of water with many-body potential energy functions : [англ.] // Accounts of Chemical Research[англ.]. — 2016. — Vol. 49, no. 9. — P. 1844-1851. — doi:10.1021/acs.accounts.6b00285.
- ↑Элементы - новости науки: Продолжается изучение структуры воды. elementy.ru. Дата обращения: 27 февраля 2017. Архивировано 28 февраля 2017 года.
Литература
- Третьяков, М. Ю. Димер воды и атмосферный континуум / М. Ю. Третьяков, М. А. Кошелев, Е. А. Серов [и др.] // Успехи физических наук. — 2014. — Т. 184, № 11. — С. 1199-1215. — doi:10.3367/UFNr.0184.201411c.1199.
- Authelin, J.-R. Water clusters in amorphous pharmaceuticals : [англ.] / J.-R. Authelin, A. P. MacKenzie, D. H. Rasmussen [et al.] // Journal of Pharmaceutical Sciences[англ.]. — 2014. — Vol. 103, no. 9. — P. 2663-2672. — doi:10.1002/jps.24009.
- Chaplin, M.Do we underestimate the importance of water in cell biology? : [англ.] // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2006. — Vol. 7, no. 11. — P. 861-866. — doi:10.1038/nrm2021.
- Gibb, B. C. Weird and wonderful water : [англ.] // Nature Chemistry. — 2016. — Vol. 8, no. 8. — P. 733-734. — doi:10.1038/nchem.2580.
- Goncharuk, V. V. Water Clusters // Drinking Water : Physics, Chemistry and Biology : [англ.]. — Springer International Publishing, 2014. — P. 51-103. — ISBN 978-3-319-04333-3. — doi:10.1007/978-3-319-04334-0_3.
- Guo, G.-J. Why can water cages adsorb aqueous methane? A potential of mean force calculation on hydrate nucleation mechanisms : [англ.] / G.-J. Guo, M. Li, Y.-G. Zhang [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics[англ.]. — 2009. — Vol. 11, no. 44. — P. 10427-10437. — doi:10.1039/B913898F.
- Luna-García, R. Structural relationship between a host included chain of spirocyclic water hexamers and bulk water — the role of water clusters in self assembly and crystallization processes : [англ.] / R. Luna-García, B. M. Damián-Murillo, V. Barba [et al.] // Chemical Communications[англ.]. — 2005. — No. 44. — P. 5527-5529. — doi:10.1039/B509787H. — PMID16358051.
- Marx, D. Proton Transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights from Ab Initio Simulations : [англ.] // ChemPhysChem[англ.]. — 2006. — Vol. 7, no. 9. — P. 1848-1870. — doi:10.1002/cphc.200600128.
- Pradzynski, C. C. Infrared detection of (H2O)20 isomers of exceptional stability: a drop-like and a face-sharing pentagonal prism cluster : [англ.] / C. C. Pradzynski, C. W. Dierking, F. Zurheide [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics[англ.]. — 2014. — Vol. 16, no. 48. — P. 26691-26696. — doi:10.1039/C4CP03642E.
- Saykally, R. J.[англ.]. Pinning down the water hexamer : [англ.] / R. J. Saykally, D. J. Wales[англ.] // Science. — 2012. — Vol. 336, no. 6083. — P. 814-815. — doi:10.1126/science.1222007.
- Singh, N. J. Understanding clusters toward the design of functional molecules and nanomaterials : [англ.] / N. J. Singh, E. C. Lee, Y. C. Choi [et al.] // Bulletin of the Chemical Society of Japan[англ.]. — 2007. — Vol. 80, no. 8. — P. 1437-1450. — doi:10.1246/bcsj.80.1437.
- Vaida, V.[англ.]. Perspective: Water cluster mediated atmospheric chemistry : [англ.] // Journal of Chemical Physics. — 2011. — Vol. 135, no. 2. — P. 020901. — doi:10.1063/1.3608919.
- Varughese, S. Using water as a design element in crystal engineering. Host-guest compounds of hydrated 3,5-dihydroxybenzoic acid : [англ.] / S. Varughese, G. R. Desiraju[англ.] // Crystal Growth & Design[англ.]. — 2010. — Vol. 10, no. 9. — P. 4184-4196. — doi:10.1021/cg100872w.
- Yuan, G. Water clusters induced assembly of chiral organic microstructures showing reversible phase transformations and luminescence switching : [англ.] / G. Yuan, C. Zhu, Y. Liu [et al.] // Chemical Communications[англ.]. — 2010. — Vol. 46, no. 13. — P. 2307-2309. — doi:10.1039/B923259A.