Możliwe struktury wody przypowierzchniowej
Gdy po raz pierwszy zidentyfikowaliśmy wodę strefy zamkniętej, wielu podejrzewało, że może być ona taka sama jak poliwoda – nie w znaczeniu budowy, ale pod względem źródła pochodzenia w postaci błędu popełnionego w trakcie badań. Taką możliwość zasugerował mi pewien wybitny fizykochemik, twierdząc, że chce w ten sposób ocalić nas od haniebnego losu osób zaangażowanych w poliwodę.
Zareagowaliśmy na to dodaniem zanieczyszczeń do wody. Chcieliśmy zobaczyć, czy zanieczyszczenia budują naszą strefę zamkniętą w taki sam sposób, jak poliwodę. Okazało się, że jest odwrotnie – wszystko, co dodawaliśmy do wody, zmniejszało wielkość strefy zamkniętej, zamiast ją rozszerzać. Największa strefa zamknięta korelowała z najczystszą wodą.
Ten wynik wskazywał na jedną z dwóch możliwości: albo woda strefy zamkniętej nie była tym samym, co poliwoda, ponieważ zachowywała się odwrotnie, albo była tym samym, co poliwoda, zaś za niesprawiedliwymi atakami na poliwodę kryły się kwestie pozanaukowe. W każdym razie zjawa w postaci poliwody nie wsadziła kija w szprychy naszych prac – uważaliśmy za uzasadnione prowadzenie badań nad wodą strefy zamkniętej na jej własnych zasadach.
Nawiasem mówiąc, nazwa „strefa zamknięta” pochodzi od mojego australijskiego przyjaciela Johna Wattersona, który zasugerował również skrót „EZ”. Teraz, gdy już wiemy, że strefa zamknięta nie tylko wyłącza/odcina, ale realizuje coś więcej, to określenie okazuje się nieadekwatne. Niemniej jednak EZ łatwo się z nią kojarzy i wydaje się, że ten termin już się przyjął i póki co nadal będziemy go używać.
Głównym problemem, przed którym stanęliśmy, było ustalenie struktury molekularnej strefy zamkniętej. Czuliśmy, że musi się ona różnić od struktury zwykłej wody, ponieważ woda EZ była zauważalnie stabilniejsza, bardziej lepka i bardziej uporządkowana. Ale jaka była ta budowa?
Stos dwubiegunowej wody
Najpierw wzięliśmy pod uwagę najbardziej oczywistego kandydata – prosty, uporządkowany stos cząsteczek wody. Układanie w stos jest możliwe, ponieważ cząsteczka wody jest dipolem – zawiera on elektrochemicznie ujemny atom tlenu na jednym końcu i dwa naładowane dodatnio atomy wodoru na drugim (patrz rysunek 1). Z powodu tej polaryzacji ładunku dipole mają naturalną tendencję do układania się w stos, stąd wydawało się rozsądne rozważanie uporządkowanej struktury EZ pod kątem układania dipoli. Ten model przedstawia rysunek 2.
Rys. 1. Podręcznikowa struktura cząsteczki wody (z lewej) pokazująca stożki negatywności i region pozytywności, tworzące układ w formie czworościanu. Rozdzielone ładunki są powszechnie przedstawiane jako prosty dipol (z prawej).
Rys. 2. Model ułożonych w stos uporządkowanych dipoli wody. Wraz ze wzrostem odległości od powierzchni i z powodu wywołanych termicznie ruchów może występować pewne zaburzenie porządku.
Konfiguracja dipoli w postaci stosu wydaje się oczywistym rozwiązaniem naszego problemu. Poczynając od nukleacyjnej (zarodkowej) powierzchni, dipole wody będą układać się jeden na drugim, coraz dalej od powierzchni, dopóki destrukcyjne siły „termiczne” (ruchy Browna) nie ograniczą dalszego wzrostu. Do jakich rozmiarów może taki uporządkowany kryształ rosnąć, może zależeć od różnych założeń. Większość chemików utrzymywałaby, że nie więcej niż kilka warstw molekularnych, podczas gdy inni twierdzą, że dochodzi do praktycznie nieograniczonego rozrostu stosu.2,3
Najgorętszym orędownikiem modelu stosu ułożonego z dipoli był Gilbert Ling. Ten światowej klasy naukowiec zbudował kompleksową teorię funkcji komórek na podstawie uporządkowanej wody, dyskretnie zakładając dwubiegunową aranżację.4 Jego teoria funkcji komórek wydawała mi się tak przekonująca, a także kilku innym osobom, że nawet w stosunkowo niedawnych artykułach5 nie udało mi się znaleźć powodu, aby kwestionować jej podstawę – proste ułożenie cząsteczek wody. Prawdę mówiąc, ten układ wydawał się jedyną wiarygodną opcją.
Później odkryliśmy powód do ponownego jej rozpatrzenia. Chociaż model stosu dipoli może mieć zastosowanie w określonych okolicznościach, nowsze dowody wskazują, że nie ma on charakteru ogólnego. Ten powód dotyczył głównie tego, że strefa zamknięcia ma ładunek elektryczny netto. Dipole pozostają neutralne – nie mogą się rozbudowywać tak, aby uzyskać rozległe obszary z ładunkiem netto.
Będąc nieświadomi istnienia tego ładunku EZ, przystąpiliśmy do oceny alternatywnych struktur, aby upewnić się, że zmierzamy we właściwym kierunku.
