Новая
техника отвечает на одну из основных тайн воды
Источник: SciTecLibrary.com
Мы пьем воду.
Мы купаемся в ней. Она - часть нашей повседневной
жизни. Но движущая сила одного из
фундаментальных свойств воды - ее кислотность (pH),
оставалась загадкой для ученых в течение
десятилетий. Исследователи из Университетов
Берклей и Рочестера создали первую модель
процесса изменения кислотности воды — свойства,
от которого зависит вся жизнь на Земле.
Полученные результаты должны помочь
исследователям в понимании и управлении сложных
химических реакций, которые используются для
создания лекарств и синтетических веществ.
Появление
высокоскоростных компьютеров и новых алгоритмов
позволило команде исследователей создать
компьютерную модель процесса молекулярного
раскола, столь редкого и кратковременного, что в
реальной жизни данный процесс наблюдать
невозможно. За 10 часов отдельно наблюдаемая
молекула может расколоться приблизительно за 100
фемтосекунд (femtoseconds) — около тысячной части
триллионной доли секунды. Это также как увидеть
за одну секунду все то время, которое
понадобилось на образование и развитие нашей
Вселенной.
Так как ученые не
могли даже случайно поймать момент раскола
молекулы, то они создали сложную компьютерную
модель, которая наглядно показывала, как протон
вырывается из молекулы воды. Величина рH – мера
количества протонов, или водородных ядер,
которые выдергиваются из молекулы воды и
свободно передвигаются. Число этих свободных
протонов и определяет, как вода ведет себя при
контакте с другими веществами, играя критическую
роль в почти любом биологическом процессе,
проходящем с участием воды. Начиная с 1950-ых годов,
многие ученые, такие как, например, Нобелевский
лауреат Манфред Еиген, пробовали поймать момент
раскола молекул воды, но до сих пор таинственный
процесс избежал как наблюдения, так и
моделирования.
Ученые обнаружили,
что эта кратковременная реакция происходит
тогда, когда случайно некоторое количество
молекул воды окружают одну молекулу в
определенном порядке. Данный порядок создает
мгновенное электрическое поле, которое
вытягивает протон из центральной молекулы. Через
биллионную (billionth) долю секунды, этот порядок
окружения нарушается, и протон или возвращается
назад к молекуле, или становится свободным. Хотя
возникновение этого порядка окружения
чрезвычайно редко для любой молекулы, однако
даже в одном стакане воды существует
бесчисленное количество молекул, так что данный
процесс происходит постоянно.
Чтобы понять суть
того, как протоны отрываются от первоначального
своего положения, ученые использовали
доказанный алгоритм в своем моделировании, но
реальное препятствие в осуществлении данного
моделирования на практике, лежит в редкости
самого события непосредственно. Если бы
исследователи только поставили и запустили
алгоритм, то пришлось бы ждать много циклов
возникновения и роста Вселенной, пока что-нибудь
бы произошло. При применении способа "приблизить"
только отдельный момент отрыва протона,
потребовалась интеграция второго сложного
алгоритма, который в свою очередь потребовал
ультравысокой скорости компьютера. В результате
ученые все же получили первую модель того, как
вода изменяет свою кислотность (pH).
В дальнейшем
ученые надеются использовать новые комбинации
технологий и методов в раскрытии способов
понимания и управления химическими реакциями.
