исследование гидродинамических параметров и молекулярного

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И
МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА ДЛИТЕЛЬНО СУЩЕСТВУЮЩЕЙ
ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© Фурмаков Е.Ф., 2005
ОАО «Техприбор»
ул. Варшавская д.5а, Санкт-Петербург, 196084,Россия,
E-mail: kb_tis@infopro.spb.su
УДК 541.18.537
Продолжены экспериментальные исследования обнаруженного автором
эффекта самопроизвольного загустевания свободной поверхности воды.
Гидродинамические параметры загустевшей водной поверхности оценивались по характеристикам вращательного движения плавающей индикаторной пластинки. Сравнительный анализ характеристик показал, что, по мере
увеличения времени существования водной поверхности, её гидродинамические свойства: динамическая вязкость, продольная и сдвиговая упругости, время релаксации существенно возрастают. Под действием внешней
нагрузки загустевшая поверхность может испытывать упругую и пластическую деформации. Предложены модели структуры вязкоупругого приповерхностного слоя воды на основе долгоживущих плоских полимолекулярных кластеров. Показана возможность структурного упорядочения приповерхностного слоя в процессе испарения из него неассоциированных в кластеры одиночных молекул Н2О. Высказано предположение о самоорганизации упорядоченной структуры приповерхностного слоя в результате её
стабилизации молекулами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О. При этом дейтерирование приповерхностного слоя производится молекулами тяжелой воды, поступающими из жидкой объемной фазы взамен постепенно испаряющимся в газовую
фазу молекулам Н2О. Проведена экспериментальная проверка предположения об организующей и стабилизирующей роли НDО в образовании вязкоупругого слоя жидкости. Результаты спектрометрического анализа образцов загустевшей водной поверхности подтвердили гипотезу дейтерирования: содержание дейтерия в исследованных образцах более, чем на порядок
величины, превышает уровень естественного фона этого изотопа в воде,
достигая в приповерхностном слое значения 0,200% (против 0,018% в объеме воды).
1
Furmakov E.F. From further investigations of above mentioned phenomenon of spontaneous free water surface gelling were obtained hydrodynamic
properties of jelled water surface, estimated by rotary motion parameters of plate
floating on it. Comparative analysis of characteristics showed that hydrodynamic
properties of water surface substantially increase with increase of surface lifetime: dynamic viscosity, relaxation time, longitudinal and shear elasticity. With
imposed external load the jelled surface may experience resiliency or plastic deformation. Article also includes models of viscoelastic near-surface layer which
are based on longeval junction multilayer clusters. Also showed the ability of
structural ordering of near-surface layer resulting from evaporation into gas
phase of single H20 molecules not associated in clusters. Also proposed ideas
concerning self-organization of ordered near-surface layer resulted from it’s stabilization with HDO molecules featuring higher association energy than H 2O
molecules. Deuteration process is performed by heavy water molecules which
appear from liquid bulk phase and gradually replace evaporating into gas state
H2O molecules. Experimental investigation of above mentioned stabilization
and role of HDO molecules in viscoelastic layer forming was carried out. Results
of spectrometric analysis of jelled water surface samples confirmed idea of deuteration: content of deuterium in samples more than 10 times exceeded normal
value of that one in water (0,200% in near-surface layer vs. 0,018% in water).
Количественная оценка параметров вязкоупругости
В работе [1], опубликованной в этом же выпуске сборника, мы рассмотрели метод качественного исследования вязкоупругих свойств свободной водной поверхности с помощью свободно плавающих на ней
безопорных индикаторных пластинок.
Однако, для количественного исследования гидромеханических параметров поверхности удобнее использовать плавающие индикаторные
пластинки, свобода перемещения которых ограничена опорой вращения:
поворотные индикаторы вязкоупругих свойств жидкости.
Поворотный индикатор представляет собой плавающую на исследуемой поверхности прямоугольную металлическую пластинку 1 с круглым отверстием 2 в её центре и отогнутыми вверх концами 3 (см. Рис.1).
Длина пластинки поворотного индикатора в несколько раз превышает
длину свободно плавающей пластинки [1].
Сквозь отверстие, расположенное на расстоянии R от концов индикатора, свободно проходит цилиндрическая ось z, вертикально закрепленная на дне плоского сосуда 4 с залитой в него исследуемой водой 5. Отверстие и ось образуют опору вращения пластинки; зазор между отверстием и осью выбран достаточным для образования в нем кольцеобразного мениска, препятствующего касанию пластинки и оси при вращении.
2
Непосредственно над индикатором, коаксиально его центру, установлена не показанная на рисунке угломерная шкала.
В сочетании с хронометром и динамометрическим щупом поворотный индикатор позволяет получать относительные количественные
оценки параметров вращательного движения плавающей пластинки.
Если к одному из концов пластинки с помощью динамометрического
щупа, состоящего из нажимного поводка 6, спиральной измерительной
пружины 7 и рукоятки 8 (см. Рис.1), кратковременно приложить внешнюю тангенциальную силу F, пластинка повернется вокруг оси z в
направлении действия силы на угол  в новое положение 1. При заданных величине и времени приложения крутящего момента М = FR угол
поворота пластинки зависит только от гидромеханических свойств приповерхностного слоя жидкости.
По мере увеличения времени существования Т водной поверхности
её вязкоупругие свойства значительно изменяются, что можно оценить,
исследуя реакцию поворотного индикатора на кратковременно приложенную к нему нагрузку.
Поворотный индикатор вязкоупругих свойств водной поверхности
Рис. 1
Временне зависимости параметров вращательного движения пластинки представлены на рисунках Рис.2 – Рис.5 для трех случаев: когда
пластинка плавает на свежей водной поверхности (Рис. 2; Т1  То), на
относительно устоявшейся поверхности (Рис. 3, Т > То) и на длительно
3
существующей поверхности (Рис. 4 и Рис.5; Т2 >> То); здесь То – время
существования водной поверхности, в течение которого она сохраняет
свойства классической ньютоновской жидкости.
На графиках приведены согласованные между собой зависимости
угла поворота пластинки (t), её угловой скорости (t) и момента внешней силы М(t). Выбранное время начала отсчета tо соответствует установившемуся режиму вращения пластинки с постоянной угловой скоростью о.
В первом случае, когда пластинка находится на свежей поверхности
(см. Рис. 2; Т1  То), для её поворота вокруг оси с постоянной угловой
скоростью (t) = о необходим относительно небольшой постоянный по
величине крутящий момент М(t) = Мо.
Вращение поворотного индикатора на свежей водной поверхности
Рис. 2. Т1  То
В течение всего времени действия t1 – tо постоянного момента Мо
пластинка равномерно поворачивается от начального положения до угла
1. Если в какое-то мгновение t = t1 снять нагрузку, пластинка продолжит вращательное движение благодаря запасенному в ходе вращения
кинетическому моменту L = Iz (здесь Iz – момент инерции пластинки
относительно оси z).
Затем, вследствие сопротивления движению, оказываемого силами
вязкого трения в приповерхностном слое жидкости, движение пластинки
постепенно замедляется, её угловая скорость экспоненциально падает от
значения о до нуля, и, после поворота на угол  = 2 – 1 в течение
времени выбега t = t2 – t1, пластинка плавно останавливается.
4
Второй случай, когда пластинка находится на относительно устоявшейся водной поверхности (Рис.3; Т > То), качественно не отличается от
рассмотренного, однако количественные изменения параметров вращательного движения, по сравнению с предыдущим экспериментом, так
велики, что создается впечатление, как будто исследуется не вода, а совсем другая, существенно более вязкая жидкость.
Так, например, крутящий момент Мо возрастает на порядок, а время
выбега t = t2 – t1 пластинки уменьшается более, чем на два порядка величины (!) по отношению к значениям тех же параметров для свежей
поверхности:
t
M o
(1).
 10,
 10  2
Мо
t
Вращение поворотного индикатора на устоявшейся водной поверхности
Рис. 3. Т > То
Угол выбега пластинки  = 2 - 1 после снятия нагрузки становится настолько малым, что им можно пренебречь по сравнению со значением :
 << .
Еще более существенные изменения свойств водной поверхности
наблюдаются в третьем случае, когда Т2 >> То (см. Рис. 4). При этом
длительно существующая свободная поверхность воды приобретает, помимо высокой вязкости, ещё и ярко выраженные упругие свойства, присущие только неньютоновским жидкостям.
Так же, как и в предшествующем эксперименте, для воздействия на
пластинку требуется существенно больший, чем для свежей поверхности, начальный крутящий момент Мо . Однако, в этом случае для поддержания постоянной угловой скорости о по мере поворота пластинки
5
приходиться нелинейно увеличивать момент от начальной величины Мо
до некоторого значения М1 (t1), что свидетельствует не только о наличии
постоянной по величине силы сопротивления движению, но и о появлении дополнительной, возрастающей по мере поворота, силы упругого
противодействия движению пластинки. Особенно наглядно влияние
упругости обнаруживается после прекращения нагрузки: если при t = t1
снять крутящий момент М(t1), пластинка не продолжит вращение, как
ранее, а тут же остановится и начнет поворачиваться в обратном направлении, плавно возвращаясь при t = t2 в исходное положение (t2) = 0.
Упругая деформация длительно существующей водной поверхности
Рис.4. Т2 >> То
Из этого следует, что по мере увеличения времени существования
спокойной водной поверхности её гидромеханические свойства качественно изменяются: вязкость приповерхностного слоя, характеризуемая
силами сопротивления движению, резко возрастает, а ранее отсутствовавшие упругие свойства становятся весьма существенными, что наглядно проявляется в способности деформированной поверхности жидкости
восстанавливать своё первоначальное состояние в течение определенного времени после снятия нагрузки (времени релаксации системы «пластинка-поверхность» t рел = t2 – t1).
Через 10 – 15 часов после формирования устоявшейся вязкоупругой
поверхности её физические свойства окончательно стабилизируются, и
соответствующие им параметры 2 и Е2 [1] в дальнейшем не возрастают.
6
Отметим, что упругая деформация приповерхностного слоя, которую
можно наглядно характеризовать способностью принудительно выведенной из равновесного состояния пластинки самопроизвольно возвращаться в исходное положение  = 0, наблюдается только при относительно небольших углах поворота пластинки, меньших некоторого предельного значения пр:
  пр
(2).
При фиксированных размерах пластинки понятие предельного угла
можно использовать как характеристику предела упругости поверхностного слоя жидкости. При Т >> То в нормальных климатических условиях
измеренное значение пр для пластинки размерами 50 х 4 х 0,1 мм не
превосходит 10о:
пр  10о .
На рисунке Рис. 5 представлены результаты эксперимента с поворотным индикатором для случая, когда угол  больше предельного:
 > пр.
Как видно из графиков, при «запредельном» повороте после снятия
нагрузки при t = t2 пластинка резко останавливается, затем начинает поворачиваться в обратном направлении со значительной начальной угловой скоростью  = - 2 , причем |-2| > o, и через некоторое время релаксации tрел = t3 – t2 плавно останавливается, не возвращаясь в исходное состояние, в положении  (t3) = 3, где
3 > 0 - (3)
угол смещения пластинки, характеризующий пластическую деформацию приповерхностного слоя жидкости, не исчезающую после снятия
нагрузки.
Пластическая деформация длительно существующей водной поверхности
Рис. 5. Т2 >> То
7
Дополнительная особенность этого эксперимента заключается в том,
что после поворота пластинки на предельный угол
 1 = пр
для её дальнейшего вращения с постоянной угловой скоростью o
требуется меньшая, чем ранее, нагрузка, постепенно спадающая до величины М2:
М2(t2) < М1(t1) (4).
Обобщая результаты проведенных исследований, можно утверждать,
что гидромеханические свойства длительно существующей водной поверхности качественно отличаются от свойств классической жидкости:
во-первых, в соответствии с (1) [1] и (1), существенно возрастает динамическая вязкость приповерхностного слоя, во-вторых, воздействие растягивающей, сжимающей или сдвигающей нагрузок приводит, в соответствии с (2) [1] и (3) [1], к упругой деформации слоя при условии, что она
не превосходит некоторого предельного значения (2), в-третьих, при
превышении этого значения деформация становится пластической,
дальнейшее перемещение происходит, в соответствии с (4), без увеличения нагрузки, и, после её снятия, пластинка, как это следует из (3), не
возвращается в исходное положение.
Структура приповерхностной области
Свойства и структура воды на границе раздела фаз начали систематически изучаться, начиная с пятидесятых годов прошлого столетия [2].
Но ещё ранее Бернал и Фаулер экспериментально установили, что структура воды в объемной фазе составлена короткоживущими полимолекулярными ассоциациями [3], позднее названными водными кластерами.
В последнее десятилетие были экспериментально обнаружены плоские цепочечные кластеры воды, замкнутые в кольцо из пяти и более молекул: пентакластеры (Н2О)5 и нанокластеры (Н2О)n , n>5 [4]. Схема строения пентакластера показана на рисунке Рис.6.
1
2
Обозначения:
- ион водорода,
- ион кислорода,
Рис. 6
8
- водородная связь
На схеме, кроме ассоциированных молекул 1, показана также одиночная молекула воды 2, не входящая в структуру кластера.
То, что наименьшее кластерное кольцо является пятизвенным, связано с близостью угла при вершине пятиугольника (108о) углу между О–Н
связями молекулы воды (~105 о), обеспечивающей устойчивость плоского пентакластера [5].
Устойчивые нанокластеры для сохранения равенства указанных углов должны быть не плоскими, а почти плоскими, как бы гофрированными по своей толщине для расположения протонов на линиях связей
О–Н …О.
Время существования устойчивых нанокластеров в объемной фазе
воды невелико и составляет всего 10-10с. Находящиеся в этой фазе кластеры с большим числом молекул (n  150) непрерывно образуются и
исчезают, как бы «мерцают» [6]. Однако, попадая из объемной фазы в
приповерхностную, короткоживущие кластеры стабилизируются в ней, и
время их жизни существенно возрастает.
Стабилизация нанокластеров в приповерхностном слое воды связана
с высокой структурной упорядоченностью слоя. По мере удаления от
поверхности раздела вглубь жидкости степень упорядоченности понижается и на некотором расстоянии do от поверхности соответствует состоянию жидкости в объемной фазе.
Эффективная толщина do частично упорядоченного слоя зависит от
многих причин и, прежде всего, – от организующего влияния нескомпенсированных кулоновских сил поверхностного монослоя на молекулы
непосредственно прилегающего к нему приповерхностного слоя жидкости. Степень структурной упорядоченности приповерхностного слоя
непосредственно влияет на величину его структурно-зависимых параметров, таких, как вязкость, упругость, диэлектрическая проницаемость
и пр.
Измеряя относительную статическую диэлектрическую проницаемость пленки воды, мы установили [7], что эффективная толщина do одностороннего плоского частично упорядоченного приповерхностного
слоя воды в нормальных климатических условиях составляет
5 мкм  d  20 мкм (5).
Естественно считать, что плоский приповерхностный слой образован, в основном, плоскими или почти плоскими кластерами, организованными в структуру с плоскостной симметрией и ярко выраженной анизотропией свойств по нормали к поверхности воды [8].
9
Гидромеханические свойства вновь образованных поверхностей раздела воды и газа известны и хорошо изучены. Но, как следует из (1), (2) и
(3), с течением времени эти свойства могут видоизменяться, и приповерхностный слой приобретает не свойственные воде качества неньютоновской жидкости.
Однако, приведенные здесь модельные представления о строении
приповерхностного слоя хорошо согласуются только со свойствами жидкости, наблюдаемыми в момент образования её свободной поверхности,
но никак не объясняют причин медленного изменения гидродинамических параметров водной поверхности с течением времени.
По существу, изложенные представления моделируют только особенности свежих поверхностей, относящиеся к хорошо известным свойствам пленки поверхностного натяжения воды, и слабо соотносятся с
описанными в настоящей работе свойствами давно устоявшегося вязкоупругого приповерхностного слоя.
Причины различия физических свойств у вновь образованных и длительно существующих водных поверхностей лежат на молекулярном
уровне.
Молекулярный состав приповерхностной области
Межмолекулярные взаимодействия на поверхности раздела вода –
газ существенно отличаются от взаимодействий в объемных фазах.
Для пограничной области между жидкой и газовой объемными фазами характерны не только градиент свойств, но и приращение свободной энергии, вызванное образованием границы раздела.
Пограничную область можно считать своеобразной промежуточной
фазой, наделенной дополнительной свободной энергией. Избыточная
энергонасыщенность способствует тому, что попадающие в промежуточную фазу из прилегающих к ней объемных фаз мономерные молекулы воды втягиваются в приповерхностный слой и выталкиваются из него
с весьма высокими скоростями.
Чем более структурно упорядочена промежуточная область по сравнению с соседними, тем выше её удельная свободная энергия, градиент
свойств и относительные скорости свободных молекул.
Наличие в структуре приповерхностного слоя плоских водных нанокластеров с высокими значениями результирующих дипольных моментов способствует его высокой структурной упорядоченности, близкой к
упорядоченности жидких кристаллов [9].
10
Поэтому время пребывания свободных молекул в пространстве приповерхностного слоя весьма мало (около 10 мкс [10]).
По истечении этого времени неассоциированные молекулы воды выталкиваются из слоя в одну из прилегающих к нему объемных фаз.
Для поддержания динамического равновесия в промежуточной области она должна непрерывно пополняться взамен ушедшим в газовую
фазу молекулам одиночными молекулами из жидкой фазы, в то время
как ассоциированные молекулы самой промежуточной области, составляющие её кластерный каркас, практически не участвуют в этом обмене.
Таким образом, при испарении воды происходит своеобразная фильтрация структурных элементов промежуточной фазы, результатом которой является постепенное уменьшение в её составе парциального содержания свободных мономерных молекул, таких, как молекула 2 на Рис. 4,
и увеличение доли кооперированных в кластеры молекул, таких, как молекула 1 на том же рисунке.
Промежуточная фаза при этом выполняет роль молекулярного сита,
отсеивающего свободные молекулы и накапливающего полимолекулярные фрагменты. Эта процедура, по мере испарения мономерных молекул, постепенно приводит к преобразованию структуры приповерхностного слоя в льдоподобную структуру с плоскостной симметрией кластерной каркасной сетки.
Однако для образования долговременно устойчивого кластерного
каркаса описанная процедура едва ли достаточна. Чтобы обеспечить долговременную стабильность и структурную устойчивость формирующегося вязкоупругого приповерхностного слоя воды, необходим некий дополнительный стабилизирующий фактор, повышающий прочность связей между молекулами воды и тем самым как бы цементирующий структуру слоя.
Иначе говоря, для образования и стабилизации вязкоупругой промежуточной фазы необходимо заменить образующие её молекулы Н 2О другими молекулами с более сильными и более устойчивыми связями между
ними.
Очевидно, что в химически чистой воде существует только один претендент на роль заменителя молекулы воды: молекула тяжелой воды.
Поэтому естественно допустить, что процесс стабилизации структуры приповерхностного слоя воды должен заключаться в его обогащении
дейтерием, а именно, – в постепенном замещении молекул Н2О, испаряющихся из промежуточной фазы в газовую, молекулами D2O и DНO,
поступающими из жидкой фазы.
11
Т.к. молекулярные связи между молекулами тяжелой воды сильнее,
чем между молекулами Н2О, естественно предположить, что дейтерирование приповерхностного слоя может служить именно тем организующим и стабилизирующим фактором, который способен обеспечить упорядочение и долговременную устойчивость структуры слоя.
Общеизвестно, что в обычной воде всегда присутствуют её тяжелые
изотопные разновидности D2O и HDO; относительное содержание HD16O
в воде мирового океана составляет около 0,032% [11]. При этом многие
физические характеристики тяжелой воды, такие, как сдиговая вязкость,
температура максимальной плотности, время механической релаксации
и другие заметно превышают параметры обычной воды.
Для обоснования нашего предположения особенно важны те параметры молекул D2O, которые существенно влияют на их кинетические
характеристики, а именно - моменты инерции молекул D2O в сравнении с
Н2О.
В отношении моментов инерции изотопный эффект весьма значителен [11]:
1
[I z (D2O) / I z (H2O)] 2  1,4 (6).
Т.к. либрационные частоты молекул обратно пропорциональны величине Iz, то энергия либраций в тяжелой воде, в соответствии с (6), существенно ниже, чем в обычной, что значительно увеличивает энергию
ассоциации молекул D2O по сравнению с Н2О.
Если к тому же учесть, что энергии водородных связей неаддитивны,
т.е., что при кооперировании молекул в кластеры каждая новая связь
усиливает уже образовавшиеся связи, то становится очевидным наличие
термодинамически выгодной тенденции к постепенному вытеснению
молекул Н2О из упорядоченной структуры приповерхностного слоя с
заменой их молекулами D2O или НDО, имеющими относительно меньшие амплитуды и частоты колебаний, что, в итоге, должно способствовать формированию и стабилизации устойчивой жидкокристаллической
структуры этого слоя.
В заключение мы считаем важным отметить, что процесс образования вязкоупругого пограничного слоя жидкости представляет собой типичный пример самоорганизации регулярной упорядоченной структуры
в существенно неравновесной открытой системе – жидкой фазе, взаимодействующей с окружающей средой – газовой фазой.
В ходе этого процесса, инициированного резко нелинейными условиями на границе раздела фаз, приповерхностный слой жидкости, вы12
полняя роль своеобразной фильтрующей мембраны, постепенно реструктурируется, самоорганизуется, стабилизируется и приобретает новые
физические свойства промежуточной фазы, в т.ч. – вязкоупругость.
Экспериментальная проверка
Для проверки гипотезы о решающей роли испарения в образовании
приповерхностного вязкоупругого слоя свежеобразованная поверхность
воды изолировалась от воздуха пленкой очищенного керосина 9 (см.
Рис.1), препятствующей испарению воды.
Поверхностная вязкость жидкости на границе раздела вода – керосин
оценивалась по величине крутящего момента М, приложенного к поворотному индикатору, при постоянной угловой скорости  его вращения.
В результате исследования установлено, что за время существования
поверхности раздела
Т  250 час
вязкость пограничного слоя воды не увеличилась.
Ещё более показателен в этом отношении эксперимент, в котором
свежеобразованная водная поверхность исследовалась в чашке Петри,
наполненной исследуемой водой и закрытой герметичной крышкой с
минимально возможным объемом воздуха над поверхностью воды.
Результаты этого исследования совпали с предыдущими: в течение
времени Т  250 час вязкость поверхностного слоя сохранила номинальное значение 1 .
Интересно отметить, что через 30 - 40 часов после снятия крышки
водная поверхность, как и следовало ожидать, приобрела вязкоупругие
свойства.
Проверка гипотезы о дейтерировании приповерхностного слоя проводилась двумя способами: во-первых, - исследованием свойств воды с
обедненной концентрацией тяжелых изотопов и, во-вторых, - методом
прямого анализа приповерхностного слоя на содержание в нём дейтерия.
При исследовании воды с низкой концентрацией тяжелых изотопов
(менее 0,003%) установлено, что в течение времени существования свободной поверхности Т  150 час вязкость поверхностного слоя слабодейтерированной воды практически не возрасла.
Незначительное увеличение вязкости было обнаружено лишь через
Т > 250 час существования поверхности.
Анализ изотопного состава образцов воды, взятых из свежеобразованной (Т < 1 час) и длительно существующей (Т > 50 час) водных по13
верхностей, проводился на ЯМР-спектрометре типа СХР-300 фирмы
Bruker.
Образцы вязкоупругой воды мы получали путем примораживания её
поверхностной пленки к поверхности плоской пластины, изготовленной
из полистирола, при кратковременном плоскопараллельном касании
пленки и пластины.
Для исключения попадания свободной воды в примораживаемый
образец вязкоупругая водная пленка снималась с поверхности вспомогательной подстилающей жидкости. С этой целью в нижнюю часть объема
воды, ограниченного сверху длительно существующей свободной поверхностью, вводилась несмешивающаяся с водой более легкая жидкость, например трансформаторное масло. Поднимаясь вверх, эта жидкость, не разрушая приповерхностный слой воды, образовывала под ним
плоский подстилающий слой, покрытый сверху тонкой вязкоупругой
водной пленкой.
При опускании охлажденной полистироловой пластины на полученную таким образом «слоеную» поверхность водная пленка примораживалась к пластине, не затрагивая более хладостойкую подстилающую
жидкость. Температура полистирола в момент касания составляла – 8оС,
температура воды 20оС, время контакта поверхности воды с пластиной
не превышало 0,8 с.
Анализ полученных таким методом образцов показал, что изотопный
состав свежей водной поверхности не отличается от состава объемной
фазы воды (содержание дейтерия 0,018%).
Однако, концентрация дейтерия в образцах длительно существующей свободной водной поверхности составила (0,200  0,205) %, что на
порядок величины превышает его концентрацию в объемной фазе и убедительно подтверждает справедливость выдвинутой гипотезы о дейтерировании приповерхностного слоя воды.
Оценка толщины b водяной пленки, примороженной к полистиролу,
как отношения объема воды, смочившей поверхность пластины, к площади самой пластины дает значение b 50 мкм, что на порядок величины
превышает нижнюю границу эффективной толщины do приповерхностного слоя, установленную в (5). Следовательно, снимаемая с поверхности воды пленка льда, содержит не только промежуточную, но частично,
и непосредственно соприкасающуюся с ней объемную жидкую фазу, что
занижает оценку фактического содержания дейтерия в приповерхностном слое почти в 10 раз.
14
Это дает основания считать, что реальное содержание дейтерия в
вязкоупругой поверхностной пленке воды может составлять, в среднем,
около 2%, изменяясь от предельно высокой концентрации в наружном
монослое до естественного фона около 0,02% у внутренней границы
пленки.
Предварительные итоги
Наиболее широко распространенный на поверхности нашей планеты
минерал – вода является настолько важным для жизнедеятельности человека и человечества, что информация о его новых, ранее не замеченных свойствах может иметь самые серьезные и подчас неожиданные последствия.
Именно к таким свойствам, по нашему мнению, относится свойство
самопроизвольного загустевания длительно существующей свободной
поверхности воды.
Ведь даже в настоящей, достаточно описательной и не содержащей
практических рекомендаций статье, можно обнаружить легко осуществимые на практике идеи, такие, например, как способ получения тяжелой воды из обогащенных дейтерием поверхностных пленок, или, наоборот, такие, как метод получения обедненной тяжелыми изотопами воды,
остающейся в емкости после снятия поверхностной пленки.
Заметим, что именно последний метод использовался нами для получения упомянутой в настоящей работе воды с обедненным содержанием
дейтерия (менее 0,003%).
По-видимому, может представлять интерес и возможность рассмотрения вязкоупругой пленки воды в качестве прообраза примитивной самоорганизующейся биологической мембраны.
Сюда же можно отнести и различного рода рекомендации о нежелательности пищевого использования воды, содержащей обогащенные
дейтерием поверхностные фрагменты. В этом отношении весьма показательно отношение к белому комковому льду, формирующемуся в горных
реках северо-восточной Сибири в начале осени путем образования на
спокойных водных поверхностях тончайших ледяных пленок, которые,
попадая в течение, смерзаются в комки белого цвета: местным аборигенам, в соответствии с вековой традицией, не дозволяется употреблять
ранний белый лёд в пищу, хотя официальная позиция относит этот запрет к проявлениям суеверия [12].
Таким образом, ответ на вопрос, по чему бегают водомерки, оказывается отнюдь не простым, хотя и лежит на поверхности. Скорее всего,
15
водомерки бегают не по обычной, а по тяжелой воде: по дейтериевой
сетке, натянутой на водной поверхности наподобие сетки батута.
Автор благодарен Л.Н. Фурмаковой, первой обратившей его внимание на необычные свойства воды, О.Е. Котеневой за неизменный интерес
к рассматриваемой проблеме и Д.К. Торопову, выполнившему спектрометрические анализы воды на содержание дейтерия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е.Ф. Фурмаков. Исследование гидродинамических свойств длительно существующей свободной поверхности воды. В сб. «Фундаментальные проблемы
естествознания и техники», вып. 30. С-Пб, 2005.
2. Ф.Д. Овчаренко. Исследование механизма взаимодействия воды с поверхностью твердых тел. Коллоидный журнал, 1978, №4, с.5-14.
3. D.D. Bernal and R.H. Fowler, J. Chem. Phys., No.1,515(1938).
4. K.Liu, J.D. Cruzan and R.J. Saycally, Water Clusters, Science, 271, 1996.
5. С.П. Габуда. Связанная вода. Факты и гипотезы. Изд. «Наука», Новосибирск,
1982.
6. О.К. Бордовский, В.Н. Иваненков, ред. Океанология. Химия океана, т.1. Изд.
«Наука», М., 1979.
7. Е.Ф. Фурмаков. Диэлектрические явления в каплях, пленках и нитях жидкостей. Труды отрасли, вып. 2, изд. ОЦАОНТИ, М., 1988.
8. Е.Ф. Фурмаков. Размерный диэлектрический эффект в тонких пленках полярных жидкостей. В сб. «Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах», ч. I, изд. СГУ, Самарканд, 1992.
9. Е.Ф. Фурмаков. Могут ли гидродинамические теплогенераторы работать
сверхэффективно? В сб. Фундаментальные проблемы естествознания и техники, ч. I, С-Пб, 2004.
10. А.М. Кутепов, ред. Вода: структура, состояние, сольватация; достижения
последних лет, гл.8. Изд. «Наука», М., 2003.
11. В.И. Лобышев и Л.П. Калиниченко. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. Изд. «Наука», М., 1978.
12. Физические суеверия. Научно-популярная серия «Физика». Изд. «Знание»,
М., 1986.
16