Рис. 1. Конфигурация электронных облаков внешних электронов кислорода в молекуле воды [2].

Стоит уточнить, что в молекуле Н2О связывающая орбиталь между атомами водорода и кислорода в молекуле занята электроном с водорода и одним электроном с кислорода. Однако незанятыми остаются разрыхляющие орбитали кислорода и водородов с соседних молекул, и именно на них могут перейти четыре электрона с гибридизированных орбиталей атома кислорода. На каждый из атомов водорода приходится одна "дополнительная" разрыхляющая орбиталь, на которую уходит пара электронов с кислорода (на водороде уже не осталось свободных электронов), то есть с помощью четырех неспаренных электронов кислорода можно установить связь с двумя атомами водорода. Разрыхляющая орбиталь имеет намного меньшую стабильность, чем связывающая, поэтому для связи двух молекул воды может использоваться механизм, отличный от описанного здесь. Мы будем придерживаться точки зрения, что между молекулами воды существуют водородные связи, которые намного слабее связей внутри молекулы, однако достаточно сильны, чтобы организовать метастабильную структуру.

Возможны два варианта: молекула воды образует связь с одной соседней молекулой или с двумя (рис. 2). На рисунке 2а показано возможное зарождение ленточной структуры, а на 2б — объемной. Объемные структуры могут быть различны по своему строению и свойствам.

Эксперименты, проведенные около десяти лет назад [1], показывают, что вода при комнатной температуре на 50 % состоит из надмолекулярных образований (кластеров) типа (Н2О)2, (Н2О)4, (Н2О)6. Были рассчитаны возможные устойчивые структуры [2], которые образуют простейшие конгломераты молекул типа (Н2О)3, (Н2О)4, (Н2О)5 (рис. 3). Как видно эти структуры имеют плоскую геометрию, однако, исследования, проведенные для структуры (Н2О)6, показывают, что, во-первых, она будет самой устойчивой из выше перечисленных, а во-вторых, будет иметь уже трехмерную структуру гексамера (рис. 4). Как видно из рисунка 3, каждая из этих структур имеет атомы водорода, которые еще не участвовали в водородных связях. При определенных условиях с помощью этих атомов водорода простейшие кластеры воды могут образовывать связи и соседними кластерами или молекулами, образуя намного более сложные структуры.

Рис. 3. Схематическое изображение тримера, тетрамера и пентамера — простейших образований (кластеров) молекул воды.

1 — атом водорода, 2 — атом кислорода, 3 — водородная связь.

Рис. 4. Клеткоподобная равновесная структура гексамера (Н2О)6 [4].

Рассмотрим вопрос образования кластеров. Предположим, что в начальный момент уже существует зародыш, состоящий из нескольких единиц или десятков молекул. При дальнейшем его развитии очевидно предположить, что он будет продолжать присоединять к себе все новые молекулы воды. Разница в массах между кластером и молекулой такова, что при их столкновении энергия кластера значительно не изменится, однако молекула может потерять значительную часть своей кинетической энергии теплового движения, при этом существует большая вероятность ее захвата в кластер. Этот процесс захвата будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются объемная и поверхностная энергии кластера, что приведет к его равновесию и окончанию роста. Важную роль в этом процессе будет играть тип строения атома: очевидно, что захватить новую молекулу цепочечному кластеру намного сложнее, чем объемному (строение и свойства объемных кластеров тоже могут различаться между собой). Решающим же фактором при развитии кластера будет внешнее воздействие. Именно оно может спровоцировать возникновение однотипных зародышей и их дальнейший рост, что приведет появлению в воде одинаковых кластеров (возможно даже их объединение в один общий) и, следовательно, к появлению определенного свойства или группы свойств. Можно сказать, что поле внешней среды будет формировать определенную структуру кластеров воды, которые, в свою, очередь могут однозначно свидетельствовать об информации их породившей. Кластеры воды — это своеобразные ячейки памяти.

Слияния возможны и при столкновении двух кластеров, что приводит к их резкому росту. Этот процесс роста будет продолжаться до тех пор, пока не сравняется объемная и поверхностная энергия кластера, что в свою очередь сильно зависит от внешних условий. К внешним условиям, в данном случае, можно отнести например, характеристики электромагнитного и электрических полей, температуру. С помощью электромагнитного и электрических полей можно управлять процессом образования новых кластеров, а температура влияет на их устойчивость. Известно, что водородная связь относительно непрочная, но в простейших кольцевых структурах кластеров, из-за их симметрии, происходит упрочнение водородных связей, что позволяет простейшим кластерам не распадаться вплоть до температур близких к температуре кипения. Однако в общем случае, связи, которые устанавливаются между простейшими кластерами, не будут симметричны, и не будет происходить их упрочнения, поэтому сложные структуры могут существовать только при относительно невысоких температурах порядка комнатной. При более высоких температурах тепловые флуктуации будут разрушать водородные связи сложных надмолекулярных образований, оставляя только простейшие кластеры. При понижении температуры до нулевой вода будет стремиться перейти к самому низкому по энергии состоянию, соответствующему идеальной кристаллической решетке льда. Многие проведенные эксперименты говорят о том, что сложные большие кластеры величиной более 100А могут быть обнаружены только в очень узком интервале температур, близких к комнатным. Изучению подобных объемных структур в настоящее время уделяется большое внимание, в частности показано, что они могут образовываться в магнитных полях, реагируют на различного вида излучения и обладают эффектом «памяти».

2. Возможность проводимости в воде

Рассмотрим самую примитивную и распространенную модель кластера — цепочечную (Рис. 5). С точки зрения структурной организации она минимально информативна, но у нее имеются некоторые особенности, позволяющие говорить о возможности новых интересных применений воды с кластерами такого типа.

Представим такую ситуацию, что каким-то образом удалось с левого конца цепочки удалить с молекулярной орбитали один из ионов водорода. На самой левой молекуле воды тогда останется одна ненасыщенная связывающая орбиталь. Если при этом удаленный ион водорода заблокировать таким образом, что с ним может образовываться только водородная связь, то одна из водородных связей с атомом соседней молекулы станет молекулярной (рис 6а– 6б). Это произойдет потому, что атому кислорода крайне невыгодно иметь три разрыхляющих орбитали, и одна из них перейдет в связывающую, на которой и будет находиться молекулярная связь.

На рисунке 6б мы видим, что у второго атома кислорода три водородных связи, как до этого было у первого атома. В этом случае у второго атома кислорода имеется возможность образовать связь с водородом как левой, так и правой соседней молекулы. Если связь образуется с атомом левой молекулы, то мы придем к случаю, показанному на рисунке 6а, и дальнейшая компенсация невозможна из-за блокировки удаленного иона водорода. Получается, что единственная возможность компенсации — образование связи с атомом правой соседней молекулы. Этот процесс повторится для всех молекул в цепочке, пока не дойдет до крайней правой (рис. 6д).

В итоге процесса показанного на рисунках 6а– 6д во всей цепочке перейдет перестройка, которая приведет к тому, что на крайнем правом атоме кислорода останется один нескомпенсированный электрон. Этот электрон вместе с блокированным ионом водорода будет создавать разность потенциалов. Если такую структуру подключить к электрической цепи, то с кластера в цепь уйдет носитель заряда (при соответствующей перестройке крайнего правого атома кислорода). Стоит отметить, что во время описанного процесса по цепочке при ее перестройке справа налево передвигалась связь водорода и кислорода, и в это же время слева направо передвигался нескомпенсированный заряд электрона.