Зона отчуждения (физика)
Зона отчуждения представляет собой большой слой (обычно порядка нескольких микрон или миллиметра ), наблюдаемый в чистой жидкой воде , от которого отталкиваются частицы других материалов во взвешенном состоянии. Оно наблюдается вблизи поверхности твердых материалов, например стенок сосуда, в котором находится жидкая вода, или погруженных в нее твердых образцов, а также на границе раздела вода/воздух. Несколько независимых исследовательских групп сообщили о наблюдениях зоны отчуждения рядом с гидрофильными поверхностями . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Некоторые исследовательские группы сообщают о наблюдении зоны отчуждения рядом с металлическими поверхностями. [ 5 ] [ 6 ] Зона отчуждения наблюдалась с использованием различных методов, например двойного лучепреломления , нейтронной радиографии , ядерного магнитного резонанса и других. [ 4 ] и это потенциально имеет большое значение в биологии и в инженерных приложениях, таких как фильтрация и микрофлюидика .
Историческая справка
[ редактировать ]Первые наблюдения различного поведения молекул воды вблизи стенок ее сосуда относятся к концу 1960-х — началу 1970-х годов, когда Дрост-Хансен, проанализировав множество экспериментальных статей, пришел к выводу, что межфазная вода демонстрирует структурные различия. [ 7 ] [ 8 ]
В 1986 году Дерягин и его коллеги наблюдали зону отчуждения рядом со стенками клеток . [ 9 ]
В 2006 году группа Джеральда Поллака сообщила о своих наблюдениях за тем, что они назвали зоной отчуждения . Они заметили, что частицы коллоидных и молекулярных растворов, суспендированные в водном растворе , глубоко и широко исключены из окрестности различных гидрофильных поверхностей. [ 1 ] Зона отчуждения наблюдалась и охарактеризовалась несколькими независимыми группами с момента тех ранних наблюдений. [ 10 ] [ 11 ] [ 4 ]
Теоретические модели
[ редактировать ]С момента первых наблюдений было предложено несколько теоретических моделей для объяснения экспериментального наблюдения зоны отчуждения.
Механическая модель: изменение геометрической структуры.
[ редактировать ]Некоторые исследователи предполагают, что зона отчуждения обусловлена изменением геометрической структуры воды, вызванным гидрофильной (или металлической) структурой твердой воды на поверхности. [ 1 ] [ 12 ] В этой модели вода в зоне отчуждения имеет структуру шестиугольных листов, где водорода атомы расположены между атомами кислорода . Причем атомы водорода связываются с атомами кислорода, лежащими в слое выше и ниже, так что всего каждый водород образует три связи. Эту структуру можно рассматривать как промежуточную между льдом и водой. Однако гипотеза шестиугольного листа не объясняет всех аспектов зоны отчуждения и не поддерживается большинством физиков.
Квантовая электродинамическая модель: квантовое ограничение
[ редактировать ]Другой выполненный расчет описывает молекулы зоны отчуждения с использованием квантовой механики и квантовой электродинамики . В этой модели жидкая объемная вода находится в газообразном состоянии. Затем, выше определенного порога плотности и ниже определенной критической температуры , эти молекулы переходят в другое квантовое состояние с более низкой энергией . В этом когерентном состоянии с более низкой энергией облако электронов колеблется между двумя квантовыми состояниями: основным состоянием и возбужденным состоянием, где один электрон на молекулу почти свободный ( энергия связи около 0,5 эВ). В этом когерентном состоянии квантовая суперпозиция имеет компонент с коэффициентом 0,9 основного состояния и компонент с коэффициентом 0,1 возбужденного состояния. Электроны в этом квантовом состоянии колеблются между основным состоянием и возбужденным состоянием с определенной частотой, и это колебание создает электромагнитное поле , которое ограничено внутри надмолекулярной структуры, поэтому излучение не наблюдается. Молекулы структуры вместе с ограниченным электромагнитным полем составляют в этой модели зону отчуждения. [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Чжэн, Цзянь-мин; Чин, Вэй-Чун; Хижняк, Евгений; Поллак, Джеральд Х. (2006). «Поверхности и межфазная вода: доказательства того, что гидрофильные поверхности оказывают долгосрочное воздействие». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 127 (1): 19–27. дои : 10.1016/j.cis.2006.07.002 . ПМИД 16952332 .
- ^ Чен, Чи-Шо; Чунг, Вэй-Джу; Сюй, Ян С.; Ву, Цзянь-Мин; Чин, Вэй-Чун (2011). «Измерения силового поля в зоне отчуждения воды» . Журнал биологической физики . 38 (1): 113–120. дои : 10.1007/s10867-011-9237-5 . ПМК 3285724 . ПМИД 23277674 .
- ^ Бишоф, Марко; Дель Джудиче, Эмилио (2013). «Коммуникация, возникновение коллектива и поведения в живых организмах: квантовый подход и подход» . Международная молекулярная биология . 2013 : 987549. doi : 10.1155/2013/987549 . ПМЦ 3833029 . ПМИД 24288611 .
- ^ Jump up to: а б с Элтон, Дэниел С.; Спенсер, Питер Д.; Ричес, Джеймс Д.; Уильямс, Элизабет Д. (17 июля 2020 г.). «Явления зоны отчуждения в воде - критический обзор экспериментальных результатов и теорий» . Международный журнал молекулярных наук . 21 (14): 5041. doi : 10.3390/ijms21145041 . ПМК 7404113 . ПМИД 32708867 .
- ^ Педроса, Луана С.; Пуасье, Адриан; Фернандес-Серра, М.-В. (2015). «Локальный порядок жидкой воды на поверхности металлических электродов» . Журнал химической физики . 142 (3): 034706. Бибкод : 2015JChPh.142c4706P . дои : 10.1063/1.4905493 . ПМИД 25612724 . Архивировано из оригинала 19 марта 2022 г. Проверено 19 марта 2022 г.
- ^ Чай, Б; Махтани, АГ; Поллак, GH (2012). «Неожиданное наличие зон, свободных от растворенных веществ, на границе раздела металл-вода» . Современные материалы . 3 (1): 1–12. дои : 10.7251/COM1201001C . ПМЦ 3692373 . ПМИД 23807904 .
- ^ Дрост-Хансен, Уолтер (1969). «Структура воды вблизи границ раздела твердых тел». Промышленная и инженерная химия . 61 (11): 10–47. дои : 10.1021/ie50719a005 .
- ^ Дрост-Хансен, Уолтер (1973). «Фазовые переходы в биологических системах: проявления кооперативных процессов в вицинальной воде» . Анналы лицея естественной истории Нью-Йорка . 204 (1): 100–112. Бибкод : 1973NYASA.204..100D . дои : 10.1111/j.1749-6632.1973.tb30773.x . ПМИД 4513148 . S2CID 35243683 .
- ^ Дерягин Б.В.; Голованов, М.В. (1986). «Электромагнитная природа сил отталкивания, образующих ореолы вокруг клеток». Коллоидный журнал СССР . 48 (2): 209–211.
- ^ Чен, Чи-Шо; Чунг, Вэй-Джу; Сюй, Ян С; Ву, Цзянь-Мин; Чин, Вэй-Чун (2012). «Измерения силового поля в зоне отчуждения воды» . Журнал биологической физики . 38 (1): 113–120. дои : 10.1007/s10867-011-9237-5 . ПМК 3285724 . ПМИД 23277674 .
- ^ Гусар, Иштван Н; Мартонфальви, Жолт; Лаки, Йожеф Андраш; Иван, Кристоф; Келлермайер, Миклош (2014). «Динамика зоны отчуждения, исследованная с помощью микрофлюидики и оптического пинцета» . Энтропия . 16 (8): 4322–4337. Бибкод : 2014Entrp..16.4322H . дои : 10.3390/e16084322 .
- ^ Эр, Клаус; ЛеМэй, Пол (2014). «Дело о тетраэдрических окси-субгидридных (TOSH) структурах в зонах отчуждения закрепленных полярных растворителей, включая воду» . Энтропия . 16 (11): 5712–5720. Бибкод : 2014Entrp..16.5712O . дои : 10.3390/e16115712 .
- ^ В. Элиа, Р. Джермано; К. Хисон, Э. Дель Джудиче (2013). «Оксгидроэлектрический эффект в бидистиллированной воде» . Ключевые инженерные материалы . 543 : 455–459. дои : 10.4028/www.scientific.net/KEM.543.455 . S2CID 94391774 . Архивировано из оригинала 19 марта 2022 г. Проверено 19 марта 2022 г.