Четвертое состояние воды

Помните: "Эврика! Эврика!".

Мудрый Архимед открыл понятие плотности воды. С тех пор плотность воды принята за эталон плотности, по которому определяют плотность всех прочих веществ. Плотностью вещества называют количество массы, содержащейся в единице объема, например в 1 см³. Плотность воды принята за единицу. Это значит, что в 1 см³ может заключиться ровно 1 г массы. И величина эта со времен Архимеда оставалась незыблемой.

Но вот незыблемость плотности воды оказалась поколебленной. Началось с серебристых облаков, удивительного и сказочного явления природы. Их можно наблюдать только в северных широтах вскоре после заката солнца или перед рассветом. Серебристые облака, просеивая лучи невидимого с земли солнца, излучают нежное серебристое сияние.

Обычные облака выше 10 км не забираются. Серебристые парят на высотах 80-90 км. До сих пор существовало убеждение, что они представляют собой скопление мельчайших кристалликов льда. Изучая их, анализируя поглощающую и преломляющую способность, молодой советский астрофизик Олег Васильев сделал любопытное открытие. Солнечные лучи вели себя так, словно проходили не сквозь кристаллики льда, а сквозь капельки воды.

Вода на высоте 90 км, где царит холод уже космического пространства, не может там оставаться обыкновенной водой, она должна находиться в каком-то ином состоянии. В каком же?

Рис. 6. Тепловое расширение воды в капиллярах. 1 - обыкновенная вода I; 2 - вода II

В 1959 г. доценту костромского текстильного института Н. Н. Федякину удалось разработать технологию изготовления сверхтонких стеклянных капилляров с радиусом до 0,000017 мм. Наблюдая расширение столбиков воды в этих капиллярах при нагревании, он получил странную закономерность. В капиллярах с радиусом более 1 мкм (0,001 мм) в интервалах от 0 до +4 °С проявлялась известная нам аномалия воды - столбик укорачивался. При + 4°С его длина становилась наименьшей, а при дальнейшем нагревании все шло как должно быть - столбик начинал удлиняться, плотность воды падала. Но в самых узких капиллярах вода изменяла своей "таинственной" аномальности. Здесь удлинение столбика происходило на всем диапазоне температур, и коэффициент расширения оставался постоянным (рис. 6). Дальнейшие исследования велись в отделе поверхностных явлений Института физической химии АН СССР под руководством Б. В. Дерягина.

Схема получения "дерягинской" воды показана на рис. 7. При откачке воздуха из сосуда Дьюара вода из пробирки, помещенной в термостат, испаряется. На стенках сосуда 1 конденсируется обыкновенная вода I, а в капилляре - вода II.

Рис. 7. Схема установки для получения воды II. 1 - сосуд Дьюара; 2 - пробирка; 3 - термостат; 4 - капилляр

Выяснилось, что в сверхузких капиллярах вода, оставаясь по химическому составу все той же Н2О, резко меняет свои физические свойства. Ее назвали водой II.

Прежде всего оказалось, что вода II почти в 1,5 раза плотнее обыкновенной воды I. Вязкость ее в 15-20 раз больше. По своей вязкости вода II напоминает вазелин - обмакни в нее палец, и она потянется за ним, как смола. Вода II не замерзает при 0°С; при -100°С она, не образуя льда, сразу вся, вследствие еще более резкого увеличения вязкости, переходит в стекловидное состояние, а закипает лишь при +300°С. Когда температура достигнет 700-800°С, пары ее распадаются, превращаясь в пары обыкновенной воды I.

Сообщение об открытии советских ученых было встречено за рубежом с явным недоверием. Только 7 лет спустя, после публикации работы Б. В. Дерягина, в конце 1969 г. лаборатория английской фирмы "Юнивелер" подтвердила опыты Н. Н. Федякина и Б. В. Дерягина. Ныне уже десятки исследовательских учреждений в США, Великобритании, Бельгии, Франции изучают "дерягинскую" воду II.

Природа воды II пока остается загадкой. Существует несколько противоречивых точек зрения. Одни исследователи считают, что "виной" всему примеси, неизбежно имеющиеся в воде. Другие утверждают, что при конденсации паров на поверхности стекла или кварца имеют место каталитические процессы, способствующие переходу воды в такое состояние, какого не получить на поверхности других веществ. Третьи, и к ним относится Б. В. Дерягин, полагают, что в сверхтонких капиллярах происходит полимеризация молекул воды, образование цепей типа (Н₂О)n. Многие за рубежом воду II так и называют поливодой.

Наши симпатии на стороне последних, и не только потому что к ним принадлежит наш соотечественник и первооткрыватель воды II, Полимерная гипотеза Б. В. Дерягина приближает к реальным воплощениям все самые фантастические предсказания о возможных превращениях Обыкновенной воды.

Не замерзающая, не дающая льда, закипающая при температуре красного каления стали, вода II найдет самое широкое применение в технике наших дней. Мы нисколько не сомневаемся, что овладение процессом полимеризации воды позволит создать совершенно новую отрасль большой химии - комбинаты по производству волокна из водяных полимерных нитей. Это будет удивительнейшая ткань. Во-первых, мы можем предположить, что в полимерных нитях Н₂О в какой-то степени проявится потенциально скрытая в воде сверхпрочность. Во-вторых, поскольку водяные нити будут обладать сверхпрочностью, их можно будет изготовлять более тонкими, чем самые тонкие современные капроновые или нейлоновые нити. И, наконец, в-третьих, водяная ткань сохранит многие аномальные свойства воды: ее огромную теплоемкость, высокую диэлектрическую постоянную и пр.

Короче говоря, мы беремся утверждать, что в недалеком будущем человечество наденет одежду, какой не знали самые волшебные сказки народов мира: бесконечно тонкую, бесконечно прочную, укрывающую от любой жары и от любого холода. В такой одежде люди смогут в равной степени расхаживать и под палящими лучами солнца Сахары и среди 80-градусных морозов Антарктиды. Легкий костюм из водяной ткани освободит космонавта от тяжелого и громоздкого скафандра, позволит ему находиться в открытом космосе без всякой дополнительной защиты.

Что касается сырья для нашей волшебной ткани, то недостатка в нем текстильная промышленность (как и металлургическая) никогда не испытает.

А пока не она ли, вода II, украшает наш небосклон серебристыми облаками? Впрочем, кажется, не только небосклон Земли. Изучением отраженного света от облаков нашей космической соседки Венеры установлено, что в этих облаках имеются капельки воды с показателем преломления 1,5. Именно такая величина показателя преломления у "дерягинской" воды и у серебристых облаков.

Советский астроном В. Бронштэн и американский Донахью независимо друг от друга высказали одинаковые предположения, что капельки полимерной воды в атмосфере Венеры сконденсировались на мельчайших пылинках - продуктах выветривания венерианских пород.

Каким путем пришли эти капельки в облака Венеры и в серебристые облака Земли? С поверхности планеты? Едва ли. Более вероятным кажется Другое предположение - это чисто космическая вода, продукт синтеза падающих из космоса водородных протонов с электронами и атомами кислорода в атмосфере обеих планет.