Czy istnieje czwarty stan wody?

Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 104 (6/2015)
Tytuł oryginalny: „Is There a Fourth Phase of Water?”, Nexus (wydanie angielskie), vol. 22, nr 5

Dr Gerald H. Pollack

Dawno temu, w roku 1957, byłem na pierwszym roku college’u i pamiętam zamieszanie powstałe z powodu wystrzelenia pierwszego na świecie sztucznego satelity. Sputnik był oszałamiającym sukcesem. Był to w pewnym sensie sowiecki zamach, który całkowicie zaskoczył Stany Zjednoczone i sprawiał złowieszcze wrażenie w tym napiętym okresie zimnej wojny. Pobudzony tym radzieckim osiągnięciem rząd USA odpowiedział zwiększonym finansowaniem badań naukowych i inżynierskich. Sputnik był kompromitacją, której rząd USA nie chciał przeżyć ponownie.

Zaledwie dziesięć lat później o mało co nie doszło do kolejnej kompromitacji. Tym razem jej źródło było mniej wzniosłe od satelity i tkwiło w nauce o wodzie. Rosjanie uderzyli ponownie, odkrywając nowy stan wody. Rosyjscy naukowcy wprowadzili wodę do wąskich kapilarnych rurek i stwierdzili, że jej właściwości zmieniły się drastycznie. Woda nie zachowywała się już jak ciecz ani jak ciało stałe. Przez chwilę wyglądało to naprawdę jak nowy stan.

Chemia podstawowa uczy nas, że woda ma trzy fazy (lub stany) – stałą, ciekłą i gazową. Rosyjskie odkrycia wskazują na istnienie czwartego stanu lub czegoś, co wyraźnie różni się od pozostałych trzech stanów. Według opisanych wcześniej wyników badań [patrz rozdział trzeci] woda posiada obok typowych powierzchni hydrofilnych jeszcze inne właściwości – staje się wodą strefy zamkniętej (Exclusion zone; w skrócie EZ), która jest bardziej lepka, stabilniejsza i bardziej uporządkowana od zwykłej wody. Choć te cechy wody EZ nie pokrywają się dokładnie z tym, co odkryli Rosjanie, można przypuszczać, że ich i nasze odkrycia są zbieżne.

Zaczniemy od przeglądu tego, co rzeczywiście odkryli Rosjanie, i związanych z tym międzynarodowych intryg. Następnie zastanowimy się, jakie prawdy z tego wypływają, a potem skupimy na strefie zamkniętej (EZ). Czy EZ jest zwykłym uporządkowanym stosem cząsteczek wody, czy też jakąś przypominającą kryształ strukturą? Czy ta struktura rzeczywiście stanowi czwarty stan wody?

Ponowne spojrzenie na fiasko poliwody

Rosyjska historia zaczęła się, gdy mało znany naukowiec, Nikołaj Fiediakin (Николай Федякин), odkrył, że w pewnych warunkach woda może stać się stabilna – trudna do zamrożenia i równie trudna do odparowania. Stwierdzono ponadto, że jest gęstsza i bardziej lepka niż zwykła woda. Zaintrygowany tą niezwykłą stabilnością Fiediakin przesłał swoje wyniki najwybitniejszemu fizykochemikowi ZSRR, Borysowi Dieriaginowi (Борис Владимирович Дерягин). To odkrycie wywarło na Dieriaginie tak duże wrażenie, że bezzwłocznie zlecił jego zbadanie swoim podwładnym.

Dieriagin zauważył, że kapilarne rurki nie były jedynym możliwym materiałem współpracującym z wodą. Wszystko, co dotyka wody, tworzy interfejs – poczynając od szklanki, w której jest woda do picia, aż po białka obecne wewnątrz komórki. Wszystkie te interfejsy tworzą „interfejsową” wodę potencjalnie tak stabilną, jak woda znajdująca się wewnątrz kapilar. Najwyraźniej Dieriagin zdawał sobie sprawę z wagi tego odkrycia, którego poznanie może stanowić klucz do zrozumienia wielu aspektów natury.

Dieriagin starannie zbadał to zjawisko. W celu zapewnienia czystości wodę stosowaną w jego doświadczeniach najpierw odparowywano, a następnie kondensowano wewnątrz czystych szklanych rurek kapilarnych. To była ta pozornie czysta woda, która wykazywała ową niezwykłą stabilność. Jednak to właśnie kwestia czystości ostatecznie doprowadziła do upadku Dieriagina.

Chociaż prace Dieriagina były dobrze znane społeczności rosyjskiej już w połowie lat 1960., naukowcy z Zachodu zaczęli zwracać na nie uwagę dopiero wiele lat później. Dalsze badania zaczęto prowadzić w USA i Wielkiej Brytanii.

Wkrótce wszyscy zainteresowali się tym szczególnym rodzajem wody. Nawet prasa ze swoją nieodłączną tendencją do sensacji zaczęła siać niepokój, zmyślając teorię, że wrzucenie odrobiny tej wody do oceanu może zadziałać jako jądro krystalizacji polimeryzujące wszystkie ziemskie zasoby wody w jedną masywną kluchę, czyniąc ją w ten sposób nienadającą się do spożycia.

Kiedy jednak okazało się, że ta przypominająca polimer woda jest bzdurą, wszyscy odetchnęli z ulgą. Powtarzając eksperymenty, zachodni naukowcy odkryli, że woda zawierała śladowe ilości krzemionki, przypuszczalnie wypłukanej ze ścian kwarcowej rurki kapilarnej. Stąd w ostatecznym efekcie woda nie była czysta. Choć wodę w dużej zlewce trudno posądzać, by zawierała znaczące stężenie materiału pojemnika, to w tym wypadku naukowcy mieli do czynienia z bardzo wąskimi rurkami ze stosunkiem powierzchni do objętości na tyle wysokim, że wskaźniki stężenia krzemionki wewnątrz wody mogły wzrosnąć do ponadprzeciętnych poziomów – w rzeczywistości, stężenie było powyżej progu wykrywalności. Część krzemionki najwyraźniej rozpuściła się w wodzie i kiedy już odkryto to zanieczyszczenie, Sowieci mieli kwaśne miny.

Później kolejny zachodni naukowiec doniósł, że zjawisko przypominające poliwodę można zaobserwować, gdy do czystej wody doda się sól, co oznaczało, że rosyjskie wyniki mogły być rezultatem letniego potu.

Dieriagin sam w końcu wbił ostatni gwóźdź do trumny z polimerową wodą, przyznając, że jego woda rzeczywiście była zanieczyszczona. Po tej publicznej deklaracji zasoby wody na świecie można było w końcu uznać za bezpieczne, uratowane od nadciągającego zagrożenia w postaci polimerowego krzepnięcia. Sprawa zamknięta. Zdemaskowanie polimerowej wody stało się odpowiedzią Ameryki na policzek w postaci Sputnika. Tym razem to Rosjanie stali się obiektem żartów.

Chociaż opis tej słynnej sprawy znalazł się w wielu książkach, jej prawdziwa historia wciąż czeka na opowiedzenie. Oto kilka istotnych ciekawostek. Podczas podróży po Rosji miałem przyjemność rozmowy z dyrektorem słynnego instytutu biofizyki, który był dobrym znajomym Dieriagina. Mieszkali obok siebie w sąsiednich mieszkaniach. Biofizyk powiedział mi, że prawie codziennie prowadzili ze sobą rozmowy, i zapewnił mnie, że Dieriagin aż do śmierci był pewien, że śladowe zanieczyszczenie nie było decydującą kwestią, mimo iż oficjalnie przyznał się do błędu. Dużo później usłyszałem bardzo podobne zdanie od innego wybitnego rosyjskiego naukowca, który był jednym z ostatnich wychowanków Dieriagina. Dieriagin publicznie przyznał się do błędu, ale prywatnie był pewien, że był na dobrej drodze.

Dlaczego naukowiec miałby przyznać się do grzechu, którego nie popełnił? Dumny radziecki rząd musiał poczuć się bardzo zakłopotany, gdy jednemu z jego czołowych naukowców zarzucono niedbalstwo w metodologii naukowej. Wydawało się, że grzech popełnili Sowieci. Dieriagin, trzymany na krótkiej smyczy przez totalitarny reżim, mógł zostać zmuszony do przyznania się do błędu. Takie pokajanie się uwalniało reżym od winy i obarczało nią pojedynczą osobę. W ten sposób winny stał się Dieriagin, a nie Sowieci.

Presja polityczna była na pewno również z drugiej strony. Obawiając się dominacji ZSRR spowodowanej wystrzeleniem Sputnika, zachodni naukowcy byli zdecydowanie w defensywie. Żartobliwe sugerowanie obecności potu w wodzie musiało mocno połechtać ich ego. W swojej książce Polywater (Poliwoda)¹ Felix Franks relacjonuje wydarzenia związane z tą słynną sprawą.

Moja intuicja mówi mi, że obie strony miały rację. W czasie wielu lat badania wody, stało się dla mnie oczywiste, że uzyskanie absolutnie czystej wody jest prawie niemożliwe. Bez względu na podjęte środki ostrożności obecność w niej niektórych zanieczyszczeń jest nieunikniona, ponieważ woda jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem mogącym rozpuszczać praktycznie wszystko. Stąd woda Dieriagina prawdopodobnie zawierała śladowe ilości krzemionki i być może także soli. Krytycy mogli trafić w sedno.

Z drugiej strony, to właśnie w tym miejscu ta historia staje się interesująca. Tym, co podawano w wątpliwość w eksperymentach Dieriagina, była tylko woda, nie zaś poprawność obserwacji dokonanych przy użyciu tej wody. Załóżmy, że woda Dieriagina była nieczysta, jak się to insynuuje. W takiej sytuacji problem sprowadza się do pytania: dlaczego woda w obecności zanieczyszczeń przyjmuje takie ciekawe właściwości?

Dieriagin, Fiediakin, a nawet wielu zachodnich naukowców szczegółowo opisuje te funkcje w wielu opublikowanych pracach. Czy nie lepiej zastanowić się nad tymi funkcjami? Chociaż nie popieram niestarannych eksperymentów, śladowe zanieczyszczenia są nieuniknione i nie muszą automatycznie wykluczać wszelkich dalszych badań. Dlaczego wylewać dziecko z kąpielą?

Mając to na uwadze, przejdźmy do odkrywania natury wody EZ. Woda EZ leży w pobliżu powierzchni wody, tak jak poliwoda. Czy te podobieństwa mogą być przypadkowe?