Тетраедричність рідин визначила їх схожість з водою

Японські фізики проаналізували, як ступінь тетраедричності структури рідин і твердих кристалів впливає на аномалії їх фізичних властивостей. Виявилося, що чим вища тетраедричність, тим більше рідина буде схожа на воду і тим більше для неї буде виражена, наприклад, аномалія щільності, пишуть вчені в.

Відомо, що вода має ряд досить незвичайних властивостей, пов'язаних з її структурою. Зокрема, для неї характерна аномалія щільності: максимальна щільність спостерігається біля води в рідкому стані приблизно при чотирьох градусах Цельсія. Крім того, для водного льоду відомо надзвичайно багато різних фаз з найрізноманітнішою структурою. Деякі подібні властивості спостерігаються і у інших з'єднань зі схожою - тетраедричною - структурою молекул: зокрема біля оксиду кремнію або простих речовин, утворених елементами четвертої групи: вуглецю, кремнію чи німеччини. Наприклад, нещодавно японські вчені пояснили, чому при цьому деякі властивості у таких «тетраедричних» рідин схожі, а деякі, навпаки, сильно відрізняються.

Цього разу вчені з тієї ж групи під керівництвом Хадзіме Танакі (Hajime Tanaka) вирішили вивчити, як на фізичні властивості таких рідин впливає ступінь тетраедричності - тобто сила тих взаємодій, які прагнуть надати рідині або кристалу тетраедричну структуру (у разі води, наприклад, за це відповідають спрямовані водневі зв'язки). Фізики досліджували, як поводяться залежно від показника тетераедричності параметри потенціалу Стіллінжера - Вебера - одного з потенціалів взаємодії, який часто використовується для опису міжатомних сил у багаточастичних системах і може служити показником термодинамічних властивостей рідин (у тому числі і таких, як аномалія щільності).

Для цього фізики побудували повну фазову діаграму тетраедричних речовин з різними показниками тетраедричності у всіх трьох агрегатних станах залежно від температури і тиску, в тому числі і в області негативних тисків - при яких речовину не стискають, а розтягують. Вчені відзначають, що саме область негативних тисків, в якій відбувається формування клатратних структур, дозволяє більш детально досліджувати аномальні властивості речовин. Наприклад, позитивний або негативний нахил лінії плавлення в координатах «тиск - температура» в точці нульового тиску стає одним з показників аномалії щільності (фактично він показує, що буде щільніше - рідина або твердий кристал).

Зменшуючи силу тетраедричних взаємодій у моделюваній речовині, вчені змогли спостерігати перехід від рідини з аномальним типом поведінки (характерної для води) до звичайної рідини з монотонною зміною щільності при підвищенні тиску. При цьому такий перехід можна спостерігати не тільки на лініях плавлення, але проявляється він і при оцінці інших динамічних і термодинамічних властивостей рідин, у тому числі відхилення від закону Арреніуса при в'язкій течії.

За словами вчених, отримані фазові діаграми, таким чином, однозначно пов'язують зміну в структурному впорядкуванні речовини з аномаліями її термодинамічних і динамічних властивостей, і підтверджують важливість утворення тетраедричної структури для фізичних властивостей води.

Вплив тетраедричної структури на фізичні властивості характерний не тільки для відносно простих молекул, таких як вода або оксид кремнію, але і для більш складних сполук, наприклад органічних комплексів. Наприклад, нещодавно хіміки виявили, що через свою тетраедричну геометрію деякі метал-органічні каркасні структури мають підвищену здатність до формування склоподібної фази.