24 октября, 2012 
admin Существенный прогресс в развитии теории жидкого состояния достигнут в последнее время благодаря применению компьютерной техники — методов численного моделирования Монте-Карло и молекулярной динамики. Вначале эти методы были применены для описания ‘свойств объемных жидкостей — термодинамических и физических — на основании потенциалов межмолекулярного взаимодействия. Это позволило, прежде всего, путем сравнения с известными свойствами реальных жидкостей уточнить вводившиеся межмолекулярные потенциалы. Наиболее надежные результаты получены для простых жидкостей, когда достаточно учесть сферически симметричные силы дисперсионного притяжения и борновского отталкивания, например в форме известного потенциала Леннарда— Джонса.
Сложнее обстоит дело в случае воды, между молекулами которой действуют направленные и более сильные, чем дисперсионные, силы водородной связи. Для записи этих сил используют различные модельные потенциалы, ‘с той или иной степенью приближения передающие свойства объемной воды. Хотя общая картина структуры объемной воды в достаточной мере прояснилась, многие вопросы еще требуют доработки. Это касается, в частности, коллективных взаимодействий молекул на больших расстояниях, играющих особенно важную роль в полярных и ионных средах. Дальнейший прогресс связан здесь с увеличением числа включенных в рассмотрение молекул, за одновременным перемещением и нахождением которых ведется наблюдение в численном эксперименте. Однако увеличение числа частиц требует дальнейшего повышения оперативной памяти и быстродействия ЭВМ.
Более выгодно складывается ситуация для тонких прослоек и пленок жидкостей, где можно ограничиться меньшим числом молекул. Однако при этом возникают и дополнительные трудности, связанные с учетом взаимодействий молекул не только между собой, но и с ограничивающими прослойку поверхностями. Под влиянием поверхности происходит изменение структуры граничных слоев воды, что и рассматривается в первом разделе этой главы. Как в нем показано, под влиянием твердой поверхности формируется устойчивая по отношению к внешним воздействиям ориентационная структура воды, отличная от ее изотропного состояния в объеме.
Следующий раздел посвящен несколько иному аспекту проблемы, также имеющему важное значение для понимания структурных особенностей воды, а именно вопросу о структуре кластеров — образований, состоящих из относительно небольшого числа молекул воды. По мере увеличения числа молекул в кластере возрастает число его возможных структур, часто не очень сильно отличающихся по энергии. С ростом числа молекул в кластере его структура приближается, по сути дела, к структуре малого объема воды. Стадию кластерных структур проходит, в частности, вода при гомогенной конденсации пара. Кластерным может быть и состояние воды, адсорбированной на полярных центрах. Однако в последнем случае на структуру кластера влияет также и поле поверхностных сил.
Для объяснения структурных особенностей тонких прослоек воды, ограниченных монослоями диполей, привлекается нелокальная электростатика (раздел 9). Этот подход учитывает не — локальность действия на среду электрического поля, а именно влияние на состояние диэлектрика напряженности электрического поля не только в данной точке, но и в ее окрестности. Этот эффект оказывается особенно значительным в случае воды в тонких прослойках, вызывая появление в них сил отталкивания гидрофильных поверхностей (структурные силы). Их действием удается количественно объяснить устойчивость тонких слоев воды между бислоями липидов, являющихся физической моделью биологических мембран.
Опубликовано в рубрике 