Вода — жидкость с загадочной структурой

Жидкая вода изучена недостаточно. Как её молекулярная структура определяет физические свойства? Мы разработали статистико-механическую модель воды CageWater, учитывающую водородные связи и взаимодействия Леннарда—Джонса (LJ). Она точно предсказывает энергетические и объёмные характеристики, а также аномальные свойства воды. При этом благодаря аналитической форме модели расчёты выполняются практически мгновенно. Модель расширяет понимание свойств воды, основанное на современных молекулярных симуляциях и экспериментах. Воду долго считали «жидкостью с двумя плотностями»: плотной жидкостью, в которой преобладают взаимодействия Леннарда—Джонса, и более рыхлой жидкостью, образованной водородными связями. Однако мы выявили иное противопоставление, лежащее в основе связи между структурой воды и её свойствами: водородные связи между парами молекул воды определяют плотность, тогда как водородные связи в кооперативных клетках обусловливают формирование открытой структуры. Соотношение этих факторов сильно меняется в зависимости от температуры и давления. Модель позволяет интерпретировать молекулярные структуры, лежащие в основе перехода между жидкими фазами в переохлаждённой воде. Она может быть полезна в геофизике, моделировании биомолекул, а также при разработке материалов для очистки воды и «зелёной» химии.