В переводе на русский греческое слово «кристалл» означает «лёд», но по строгому определению задержавшийся этой весной на наших улицах зимний оккупант кристаллом не является. Кристаллическую решётку льда формируют только атомы кислорода, между которыми почти хаотично располагаются водороды. От этой беспорядочности зависят проводимость, плотность, теплоёмкость и другие макроскопические свойства вещества. Физики, изучающие лёд, стремятся получить точную статистику всех возможных конфигураций молекул структуры, чтобы затем смоделировать её природный вариант при помощи компьютерных методов. Простой алгоритм решения этой задачи для ледяных нанотрубок и нанослоёв льда нашёл Михаил Киров, главный научный сотрудник тюменского Института криосферы Земли СО РАН. В интервью корреспонденту STRF.ru он пояснил детали своей работы и рассказал о самых интересных научных результатах в этой области, неожиданно способных приблизить нас к разгадке феномена зеркальной асимметрии живых систем.
Михаил Киров: «Нанотрубки и нанослои льда представляют особый интерес из-за отсутствия на поверхности свободных, “болтающихся” атомов водорода»
«Нанотрубки льда – это структуры, которые образуются внутри углеродных нанотрубок, аналогичные образования встречаются и на их поверхности, – поясняет Михаил Киров. – Широкая распространённость воды и льда хорошо известны. Абсолютная безвредность, структурная подвижность и многообразие форм делают воду чрезвычайно привлекательным объектом самых разнообразных исследований. Например, очень интересные результаты в 2005 году получены в одной из лабораторий Гарвардского университета, где разработали новый способ конструирования наноустройств – технику “ледяной нанолитографии”. В ней поверхность нанообъекта сначала покрывают тонким слоем льда. Потом формируют матрицу – удаляют выбранные участки льда с помощью электронного пучка. Эту матрицу переносят в камеру для осаждения металла, а уже образовавшуюся наноплёнку металла удаляют химическим способом. В результате плёнка металла сохраняется только на свободных ото льда участках».
По сравнению с нанотрубками обычный лёд, казалось бы, не должен представлять интереса для современной науки. Ведь ещё в далёком 1933 году британские физики Бернал и Фаулер установили, что межмолекулярные водородные связи во льду образуют пространственную тетраэдрически координированную сетку, и сформулировали всего два исчерпывающих правила, которым с успехом отвечают большинство его кристаллических модификаций, существующих главным образом при высоких давлениях и пониженных температурах. По первому из этих правил каждый атом кислорода в сетке связей имеет только два соседних водорода. А по второму – между соседними молекулами воды находится лишь один атом водорода.
«Хотя правила Бернала–Фаулера накладывают довольно сильные комбинаторные ограничения на структуру водородной, протонной подсистемы, суммарное число вариантов расположения этих протонов огромно. Согласно приближённой оценке Лайнуса Полинга, оно равно (3/2)N, где N – число молекул, – Михаил приближает нас непосредственно к тематике своей работы. – Мерой этого ориентационного беспорядка служит остаточная энтропия, логарифм общего числа конфигураций. Другая особенность льда – существенная зависимость энергии и других характеристик от конкретного расположения протонов на связях. И если в макроскопических образцах происходит усреднение по различными ориентациям молекул, то на наномасштабах эти особенности становятся принципиальными. В данной ситуации представляет интерес точный учёт всех возможных конфигураций нанообъектов или фрагментов протяжённых структур для дальнейшего детального их исследования».
Понимание особенностей строения различных модификаций льда, газовых гидратов, ледовых наноструктур может привести к разработке новых способов управления физическими свойствами этих материалов. Однако наличие огромного числа неэквивалентных протонных конфигураций сильно снижает эффективность высокоточных квантово-химических методов, требующих длительных компьютерных расчётов. Результаты компьютерного моделирования зависят от выбора исходной структуры. Подход российского физика позволяет получать наборы стартовых точек, предварительно приближённо оценивая конфигурации по значению основных характеристик. При этом алгоритм, разработанный для нанотрубок и нанослоёв льда, по словам Михаила, «в среде Mathcad занимает буквально несколько строчек».
Надёжность разработанного метода была проверена при анализе хорошо изученной модели «квадратного льда». Высокую точность продемонстрировал и представленный в статье приближённый метод оценки остаточной энтропии бесконечных систем. Точная статистика протонных конфигураций нанотрубок и нанослоёв льда может служить основой для последующего более точного моделирования. Однако, по словам Михаила, этим актуальность исследований подобных, казалось бы, столь экзотических ледяных наноструктур не ограничивается:
«Как известно, наука имеет свою логику развития, которая вовсе не сводится к немедленному практическому применению. Так, нанотрубки и нанослои льда представляют особый интерес из-за отсутствия на поверхности свободных, “болтающихся” атомов водорода. Эта структурная особенность принципиальна для более глубокого понимания предсказанной нами ранее скрытой асимметрии водно-ледовых систем, проявляющейся в изменении энергии и других характеристик при изменении направления всех Н-связей. Согласно нашей гипотезе, отмеченная асимметрия является первопричиной возникновения и сохранения зеркальной асимметрии живых систем. Так что, кто знает, может быть, эти исследования помогут разгадать интригующую загадку возникновения жизни, а также добавят аргументы в пользу абиогенной концепции происхождения нефти».