Przesunięcie płaszczyzn powoduje również pewne odpychanie – jednakowo naładowane atomy znajdujące się w przylegających do siebie płaszczyznach odpychają się wzajemnie. Jednakże siły odpychające są słabsze od przyciągających. Nasze obliczenia wykazują, że siły przyciągania z łatwością przeważają.
Tak więc drugi układ/model tworzy stabilną strukturę, która trzyma się razem w naturalny sposób. Model ten zapewnia przewidywalne mechaniczne zachowanie – stan półstały, kiedy nic nań nie działa, i zarazem płynny w reakcji na działanie sił podłużnych. Jego zachowanie powinno przypominać zachowanie galaretowatego białka jaja.
To proste ułożenie prowadzi do ciekawych wariantów strukturalnych. Na dolnej części rysunku 7 kolejne płaszczyzny stosu są przesunięte w prawo, ale równie dobrze mogą być przesunięte w lewo. Te dwie opcje przesunięć umożliwiają zbudowanie przechylonej w lewo albo w prawo konstrukcji. W rzeczywistości przesunięcia nie muszą być ograniczone wyłącznie do kierunków w lewo lub w prawo – przesunięcia płaszczyzn mogą wystąpić wzdłuż każdego z sześciu kierunków wyznaczonych przez boki sześciokąta, co daje nieograniczone możliwości układania stosu.
Możemy nawet wytworzyć spiralne ułożenie (patrz rysunek 8). Zaczynając od płaszczyzny podstawowej, następną przesuwamy nad nią wzdłuż boku sześciokąta, kolejną wzdłuż boku nachylonego do poprzedniego pod kątem 60 stopni, następną wzdłuż kolejnego boku nachylonego pod kątem 60 stopni w stosunku do poprzedniego itd. Przy takim ułożeniu skok helisy (linii śrubowej) będzie obejmował sześć płaszczyzn. Możliwe są też większe, a nawet nieregularne, skoki. Taka helikalna (spiralna) budowa może mieć szczególne znaczenie w biologii, gdzie woda EZ musi współpracować ze zwiniętymi spiralnie białkami i kwasami nukleinowymi.
Rys. 8. Przesuwanie kolejnych płaszczyzn o 60 stopni tworzy strukturę spiralną.
W sumie, wylewanie wody na powierzchnię hydrofilną powoduje wzrost EZ. Woda jest surowcem, z którego EZ formuje warstwy w kształcie plastra miodu. Te warstwy EZ mogą przesuwać się względem siebie, jeśli zostanie przyłożona do nich odpowiednia podłużna siła. Zwykle jednak płaszczyzny przyklejają się do siebie, tworząc to, co jest makroskopowo widoczne jako EZ.
Czwarty stan wody
Istotną cechą proponowanego modelu wody EZ jest jego podobieństwo do lodu. To podobieństwo nie powinno dziwić, jako że na jego podstawie stworzyliśmy nasz model struktury EZ. A zatem, jeśli lód stanowi stan wody, to EZ również może ubiegać się o taki status. Może być długo poszukiwanym „czwartym stanem” wody, którego istnienie już wiek temu sugerował wybitny fizykochemik William Hardy.
Aby wodę EZ można było uznać za fazę (lub stan), musi ona spełniać pewne kryteria: powinna być unikalna i przestrzennie związana oraz musi istnieć w znaczącej ilości. Kryteria te spełniają trzy klasyczne stany wody, przy czym, jak wynika z najbliższych rozdziałów, istnieją pewne wątpliwości dotyczące jej pary. Są one także prawdziwe dla EZ – strefy zamknięcia są związane i wyjątkowo zorganizowane i mogą wystawać z powierzchni na odległość do jednego metra. Tak czy inaczej, woda EZ wydaje się posiadać cechy kwalifikujące ją do statusu stanu nie gorsze niż lód.
Z drugiej strony, biorąc pod uwagę rozległość EZ, może ona od czasu do czasu doprowadzać chemików do szału. Jak jakakolwiek struktura zbudowana z cząsteczek wody może tworzyć miliony warstw „wyrastając” z nukleacyjnej (zarodkowej) powierzchni? Nauczeni myśleć, że destrukcyjne efekty termicznego ruchu ograniczają uporządkowanie do kilku warstw molekularnych, niektórzy chemicy są skłonni uważać koncepcję uporządkowania na dużą odległość jako niemożliwą.
Jednak my nie proponujemy struktury złożonej z ułożonych dipoli wody, ale z ułożonych płaszczyzn. Obie struktury różnią się od siebie.
Chemicy mogą traktować stos dipoli jako podobny do stosu cegieł, rozchwiany przez niekorzystny wpływ ruchów termicznych, a ponieważ te destrukcyjne oddziaływania mają charakter narastający, stos nie może zbyt wysoko urosnąć przed zawaleniem się.
Warto powtórzyć, że nie postulujemy stosu dipoli, ale stos płaszczyzn. Każda płaszczyzna ma duży zasięg i im jest rozleglejsza, tym słabszy jest wpływ oddziaływania termicznego. Stąd wszelkie destrukcyjne wpływy powinny być znacznie mniejsze w stosie płaszczyzn niż w stosie dipoli. Można więc mieć nadzieję, że ten płaszczyznowy model będzie przychylniej przyjęty przez chemików.
Co więcej, ten płaszczyznowy model może pozwolić nam rozwiązać problem, nad którym wciąż głowią się chemicy: dlaczego żele zachowują tyle wody. Żele utrzymują swoją wodę. Pospolite żele nie ciekną, nawet gdy zawarta w nich woda stanowi 99,9 procent ich całkowitej masy. Teraz możemy podjąć się wyjaśnienia tego zjawiska. Matryca żelowa zawiera liczne pasma hydrofilowe. Powierzchniowe pasma przekształcają zwykłą wodę w wodę EZ. Płaszczyzny EZ trzymają się tych zarodkujących pasm, a także między sobą – stąd nasza deserowa galaretka pozostaje nawilżona. Woda EZ nie wypływa.
Proponowana struktura wyjaśnia, dlaczego strefy wykluczenia wykluczają. Robią to dlatego, że rozpuszczone substancje mogą wnikać do siatki EZ tylko przez małe heksagonalne otwory. Rzeczywista przeszkoda jest jeszcze większa, ponieważ kolejne płaszczyzny EZ są przesunięte względem siebie i w rezultacie efektywne otwory są mniejsze od sześciokątów płaszczyzn. Siatka jest bardzo ścisła, przez co jest bardzo nieprzenikliwa dla rozpuszczonych substancji. Tylko protony i mniejsze cząstki są na tyle małe, aby przez nią przeniknąć.
Z drugiej strony, protony normalnie nie występują jako odrębne cząstki – trzymają się cząsteczek wody, tworząc jony hydroniowe, które są znacznie większe od protonów, co je wyklucza.
Wydaje się, że oprócz tych uwolnionych protonów wszystkie substancje rozpuszczone są wykluczone – przynajmniej z regionów siatki pozbawionych otworów. Wyłączenie jonów hydroniowych z ich dodatnim ładunkiem zapewnia utrzymanie różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy EZ i pozostałą wodą. To tłumaczy istnienie tej samej różnicy potencjałów przez długi czas.
Trwałe oddzielenie ładunków pomiędzy EZ i strefą zwykłej wody ma wpływ na wiele rzeczy. To oddzielenie ładunku tworzy „baterię”. Jej charakter i rodzaj energii, który utrzymuje ją w stanie naładowania, okażą się kluczowe dla zrozumienia praktycznie wszystkich zjawisk dotyczących wody.
Podsumowanie
Próbując stworzyć strukturalny model strefy zamkniętej, najpierw rozważaliśmy ułożone w stos dipole. Choć w swojej strukturze proste, logiczne i historycznie uzasadnione, dipole są obojętne – nie mogą być źródłem ładunku netto w strefie zamkniętej. Dlatego też model dipolowy okazał się niewłaściwy.
Potem ustaliliśmy, że model arkusza w formie plastra miodu jest bardziej obiecujący i że jego heksamery nie leżą dokładnie nad sobą w sąsiednich arkuszach. Co więcej, ten model może stanowić źródło ładunku netto EZ i dodatkowo wykazuje podobieństwo do lodu.
W tym modelu stosu arkuszy lokalny ładunek zależy od gęstości elektroujemnych atomów tlenu. W rezultacie lokalny potencjał elektryczny może wahać się od dużych wartości ujemnych do zera i dalej do dodatnich wartości charakterystycznych dla niektórych stref zamkniętych.
Jego podstawowa struktura jest wystarczająco wszechstronna, aby spełniać wymogi wszystkich rodzajów stref zamkniętych.
Naturalne strefy zamknięte różnią się od generycznych. Generyczne EZ-y zawierają pełne sześciokątne kratki. Naturalne EZ-y są mniej regularne – może im brakować atomów tlenu i wodoru w miejscach strukturalnego rozkładu ładunku na zarodkującej powierzchni i mogą ulegać erozji.
Strefy zamknięte wydają się wystarczająco duże i wystarczająco wyraźne, aby uznać je za oddzielny stan wody. Akceptacja istnienia tego „czwartego stanu” dopiero się zaczyna.
Jego wyjaśnienie obiecuje rzucenie światła na to, co zachodzi, gdy woda dotyka praktycznie wszystkiego w zasięgu wzroku.
O autorze:
Dr Gerald H. Pollack jest profesorem bioinżynierii na Uniwersytecie Waszyngtonu w Seattle, gdzie prowadzi laboratorium nazwane jego nazwiskiem (Laboratorium Pollacka). Jest redaktorem naczelnym interdyscyplinarnego czasopisma naukowego Water (Woda), którego strona internetowa znajduje się pod adresem www.waterjournal.org. Jest międzynarodowym liderem w dziedzinie badań wody. Skontaktować się z nim można, pisząc na adres poczty elektronicznej ghp@u.washington.edu.
Przełożył Jerzy Florczykowski
Przypisy:
1. Felix Franks, Polywater (Poliwoda), MIT Press, 1981.
2. G.N. Ling, „A new theoretical foundation for the polarized-oriented multilayer theory of cell water and for inanimate systems demonstrating long-range dynamic structuring of water molecules” („Nowe założenia teoretyczne hipotezy o ukierunkowanej biegunowo wielowarstwowości komórki wody i układów nieożywionych wykazujących wysoce dynamiczną strukturę cząstek wody”), Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 2003, 35:91–130.
3. R. Roy, W.A. Tiller, I. Bell, M.R. Hoover, „The structure of liquid water; novel insights from materials research; potential relevance to homeopathy” („Struktura płynnej wody; nowe wnioski z badań nad materiałami; potencjalne znaczenie dla homeopatii”), Materials Research Innovations, 2005, 9–4 93124:1066–7857.
4. G.N. Ling, A Revolution in the Physiology of the Living Cell (Rewolucja w fizjologii żywej komórki), Krieger Publ. Co, Malabar FL, 1992.
5. G.H. Pollack, Cells, Gels and the Engines of Life (Komórki, żele i napęd życia), Ebner and Sons, Seattle, WA, 2001.
6. E.R. Lippincott, R.R. Stromberg, W.H. Grant, G.L. Cessac, Polywater Science, 1969, 164:1482–1487.
7. C.A. Chatzidimitriou-Dreismann, T. Abdul Redah, R.M.F. Streffer, J. Mayers, „Anomalous Deep Inelastic Neutron Scattering from Liquid H2O-D2O: Evidence of Nuclear Quantum Entanglement” („Anomalne głębokie nieelastyczne rozproszenie neutronów z ciekłego H2O-D2O – dowody na jądrowe splątanie kwantowe”), Physical Review Letters, 1997, 79(15):2839–2842.
8. www.aip.org.
9. M.A. Henderson, „The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects revisited” („Oddziaływanie wody na powierzchnie stałe – ponowne spojrzenie na zasadnicze aspekty”), Surface Science Reports, 2002; 46:1–308.
10. J.E.M. McGeoch, M.W. McGeoch, „Entrapment of water by subunit C of ATP synthase” („Uwięzienie wody przez podjednostkę C syntazy ATP”), Journal of the Royal Society Interface, 2008, 5(20):311–340.
11. G.A. Kimmel, J. Matthiessen, M. Baer, C.J. Mundy, N.G. Petrik, R.S. Smith, Z. Dohnalek, B.D. Kay, „No Confinement Needed: Observation of a Metastable Hydrophobic Wetting Two-Layer Ice on Graphene” („Brak potrzeby izolacji – obserwacja metastabilnego hydrofobicznego zwilżania dwóch warstw lodu na grafenie”), Journal of the American Chemical Society, 2009, 131:12838–12844.
12. N. Ji, V. Ostroverkhov, C.S. Tian, Y.R. Shen, „Characterization of Vibrational Resonances of Water-Vapor Interfaces by Phase-Sensitive Sum-Frequency Spectroscopy” („Charakterystyka wibracji wzajemnych oddziaływań wody i pary wodnej za pomocą wrażliwej na fazę spektroskopii opartej na częstotliwości sumarycznej”), Physical Review Letters, 2008, 100:096102.
13. A. Michaelides, K. Morgenstern, „Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces” („Nanoklastry lodu na hydrofobicznych powierzchniach metalowych”), Nature Materials, 2007; 597–601.
14. K. Xu, P. Cao, J.R. Heath, „Graphene Visualizes the First Water Adlayers on Mica at Ambient Conditions” („Grafen obrazuje pierwsze zaadsorbowane warstwy wody na mice w warunkach otoczenia”), Science, 2010, 329:1188–1191.
15. J.E.M. McGeoch, M.W. McGeoch, „Entrapment…, ss. 311–318.
Od redakcji:
Artykuł opracowano na podstawie IV rozdziału książki dra Geralda H. Pollacka The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor (Czwarty stan wody – oprócz stałego, ciekłego i gazowego).
