Второе изменение цепочки будет связано с уходом электрона с крайнего правого атома на рисунке 6д. Очевидно, что после ухода электрона связи крайней правой молекулы станут нескомпенсированными, и там, скорее всего, произойдет перестройка от эр-гибридизированного состояния к более простому. Однако неизвестно, будет ли конечное состояние энергетически более выгодно. Из всего выше сказанного следует вывод, что первоначальной энергии деформации цепочки ионом водорода должно хватить на изменение ориентации молекул воды и на перестройку крайней правой молекулы, с которой уйдет некомпенсированный электрон. Даже если это условие будет выполнено, во время всей реакции должна поддерживаться водородная связь с ионом водорода на левом конце, и она ни в коем случае не должна переходить в молекулярную. Данная проблема может быть решена различными способами, например, ион водорода можно заменить ионом щелочного металла, который легче контролировать. Еще одним решением было бы создание специальной среды на одном (левом) краю ленточного кластера, где атомы водорода ионизировались бы, а потом вступали бы в реакцию с кластером.
Стоит отметить тот факт, что впечатление, которое может сложиться, будто на правом конце цепочки генерируется отрицательный заряд неверно. Первоначально заряд создался на левом конце цепочки, а только потом передался на правый. Скорее всего затраты на первоначальное создание заряда превысят выигрыш в энергии от его получения на противоположном конце кластера. Вероятно, что создание генераторов электронов на кластерах воды невыгодно. С другой стороны, сгенерированный заряд передается без потерь энергии в цепочке, надо только создать избыточную энергию деформации на одном краю кластера, достаточную для инициализации процесса. С этой точки зрения, затраченная энергия будет расходоваться намного эффективней, чем при передаче заряда по обыкновенным металлическим проводам, особенно на большие расстояния.
Проведем аналогию между проводимостью в металлах и проводимостью водных кластеров. Во-первых следует сразу отметить, что описанный эффект не относится к эффекту сверхпроводимости. Сверхпроводимость — это коллективный эффект, свойственный зарядам с целым спином, сопровождающийся Бозе-конденсацией. В нашем случае передается только один электрон, с полуцелым спином, поэтому ни о какой конденсации не может быть и речи. С другой стороны эффект идеальной проводимости при температуре абсолютного нуля намного ближе к описываемым здесь процессам. При идеальной проводимости носителями заряда являются простые электроны, которые не рассеиваются ни на тепловых колебаниях решетки, ни на примесях, из-за чего сопротивление металла становится равным нулю. В нашем случае носителем заряда тоже является электрон, который переносится в водном кластере. Кластер образовался так, что в нем естественным образом нет никаких примесей. Рассеяние на тепловых колебаниях не происходит потому, что двигается не свободный электрон в решетке, а перестраивается сама «решетка» кластера — двигается водородная связь. В металле создается разность потенциалов, а в нашем случае деформация кластера тоже является методом создания потенциальной энергии.
Отличительной чертой является то, что по одной цепочки может передаваться только один электрон, но с другой стороны этот процесс происходит при комнатной температуре. Именно возможность передачи электрического тока без сопротивления при комнатной температуре оправдывает затраты энергии, которые могут возникнуть при выполнении данной задачи.
Теперь обратим внимание на одну из основных проблем — создание стабильных водных ленточных кластеров. Создать сами ленточные кластеры можно с помощью взаимодействия воды с электромагнитным и электрическим полями. Если магнитное поле в основном применяется для создания круговых кластеров (рис. 3), то электрическое поле может быть применено для создания протяженных цепочек ленточных кластеров воды.
Проблема заключается в другом: некоторые теоретические исследования говорят о том, что ленточные кластеры имеют намного менее стабильную структуру, чем объемные простые структуры типа пентамеров и гексамеров. Если последние могут существовать в естественных условиях более нескольких дней или даже недель, то жизнь ленточных кластеров намного меньше. Это обусловлено тем, что время жизни простой водородной связи очень мало, в объемных же симметричных системах происходит усреднение между параметрами стабильной молекулярной связи и водородной. Протяженные ленточные кластеры в целом центральной симметрией не обладают (как впрочем и большие объемные конгломераты размером более 100А°). Из-за этого эти кластеры легко разрушаются флуктуациями, в том числе и тепловыми.
Для стабильного существования ленточных кластеров надо создавать специальные условия. Одним из таких условий является температурный режим, который в нашем случае совпадает с нормальными жизненными условиями (температура ниже 50 °C). Вторым условием является создание специальной поддерживающей структуры. Проведем еще одну аналогию для пояснения этого вопроса.
В настоящие время в физике наноструктур широкое распространение получают фуллерены типа С60. Было сделано открытие, показавшее, что соединения фуллеренов с некоторыми металлами являются высокотемпературными сверхпроводниками. При попытке создать новые фуллерены с температурой сверхпроводящего перехода близкой к комнатной было выяснено, что максимальной температурой перехода обладали бы еще не синтезированные цепочки из самых маленьких фуллеренов С2О [6]. К сожалению, также как и в нашем случае, такие цепочки, метастабильны. Для увеличения их стабильности было предложено следующее решение: упаковать их в специальные нанотрубки, которые не нарушали бы структуру цепочек, а поддерживали бы ее.
Такое же решение возможно применить в нашем случае. Несмотря на то, что радиус ленточного кластера воды около 2А°, а радиус фуллереновых цепочек около 5А°, разница не так уж и велика. Вероятно, в ближайшем будущем удастся синтезировать нанотрубки, которые смогут поддерживать стабильность кластеров воды.
Как и в случае фуллеренов, где нанотрубки сделаны из того же углерода, что и сами фуллерены, для воды поддерживающую структуру может быть удастся сделать на основе объемных кластеров той же воды. Этот вопрос, однако, является наиболее спорным и здесь возможно применение любых методов по пространственной стабилизации кластеров.
В любом случае надмолекулярная структура воды требует отдельного большого и тщательного изучения, но уже сейчас видны возможные перспективы по применению пространственных структур, образованных водными кластерами, например, в области передачи электрической энергии с наименьшими потерями.
Несмотря на все перечисленные особенности, ряд теоретических и экспериментальных фактов [8] позволяет все же считать, что в воде могут быть созданы условия для возникновения идеальной проводимости. В будущем, основываясь на данном механизме, возможно, удастся объяснить такие эффекты как обнаруженная высокотемпературная сверхпроводимость в биологических структурах (например, в нервах живых существ). Для указанных целей возможно даже искусственное создание кластеров воды с необходимыми свойствами, например, в тонких пленках. Тем более что описанные структуры очень похожи на структуры недавно открытых проводников и сверхпроводников на основе полимеров, которые в настоящее время создаются искусственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Габуда С.Н. Связанная вода: факты и гипотезы. Новосибирск, Наука, 1982. 159с.
2. Л.Г. Сапогин, И.В. Куликов, ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ, т. 3, № 4 (1998).
3. О.А. Понамарев, И.П. Сусак, Е.Е, Фесенко, А.С. Шигаев, БИОФИЗИКА, т. 47, в. 3, стр. 395 (2002).
4. К. Lui, M.G. Brown, et al., Nature, 381, p501 (1996).
5. Мартынов Г.А. «Структура жидкости — что это такое?» Журнал структурной химии. 2002, том 43, N3, стр.547–556.
