МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СЕТКУ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ ВОДНОГО КЛАСТЕРА

Вода играет существенную роль в процессе взаимодействия электромагнитного поля с биологическими объектами. Экспериментально установлено, что реакционная способность воды и водных растворов может существенно изменяться после воздействия на них различных факторов (температуры, ультразвука, переменного и постоянного магнитного поля, электромагнитных волн, инфразвука, акустических волн и т.д.), причем взаимодействия, приводящие к активации, могут быть слабыми.

К настоящему времени накопилось достаточно много экспериментальных данных, убедительно доказывающих эффективность применения магнитного поля при осуществлении физико-химических процессов. Зафиксированы изменения структурных, оптических, кинетических, магнитных и других физико-химических свойств водных растворов. Молекулы воды, их ассоциаты, гидратированные ионы совершают беспрерывные колебательные движения, которым соответствует определенный колебательный уровень. При воздействии на эту систему полем определенной частоты возможен резонанс с определенной группой молекул и ассоциатов с возникновением квантов энергии, способных деформировать связи, изменять структурную характеристику систем.

Один из наиболее информативных и простых в техническом исполнении методов обнаружения изменения структурных свойств воды являются методы колебательной спектроскопии. Предполагается, что образование ассоциатов воды, упорядочение объемной трехмерной сетки водородных связей происходит за счет преимущественного образования сильных водородных связей. Результаты многих исследований можно объяснить, исходя из кластерно-фрактальной модели, которая рассматривает воду как смесь свободных молекул и фрагментов с упорядоченной структурой. Важную роль в объяснении свойств воды играет динамика непрерывной сетки из ее водородных связей. Молекулярные Н-связи неравномерно распределены по объему воды и определяют ее уникальные физико-химические свойства. Объекты с повышенным содержанием Н-связей можно считать кластерами. Различные физические воздействия могут приводить к разрушению и образованию кластеров в воде. Электромагнитное поле может менять движение зарядов, опосредовано действуя на Н-связи в кластерах, и вызывать деформации водородных связей, в том числе изменение длин О-Нили углов Н-О-Н.

В настоящее время имеется большое количество экспериментальных данных, доказывающих существование устойчивых кластеров воды при различных условиях. С другой стороны, существуют экспериментальные методики, позволяющие проводить исследования мгновенной структуры сетки из водородных связей. Подобные исследования можно проводить только методами компьютерного моделирования, а именно, молекулярной динамики, Монте-Карло и т.д.

Целью данной работы является исследование структуры секти водородных связей водного кластера (N=196 молекул Н20) с изменением температуры кластеров и внешнего электрического поля методов классической молекулярной динамики с использованием пакета программ HyperChem 8.0. моделирование проводилось на основе трехцентрированной жесткой воды TIP3P (без учета гибкости внутримолекулярных связей) с использованием потенциала ММ+. Расчеты проводились в кубической ячейке с периодическими граничными условиями с шагом по времени. Моделировался кластер в термостате с постоянной связи 0,1 пс. В качестве исходных конфигураций использовались глобальные минимумы модели TIP3P, потенциальная энергия которых дополнительно минимизировалась в полуэмпирическом потенциале PM3 и далее ММ+ потенциале.

Моделировались 2D-структуры воды в параллелепипеде размером 55*35*4 А. в отсутствии электрического поля наблюдается разветвленная сетка Н-связей: набор мономеров и ассоциатов. В слабых электрических полях наблюдается набор мономеров, димеров и триммеров молекул воды. Устанавливается преимущественная ориентация мономеров и происходит разрушение водных кластеров. В сильных электрических полях устанавливается упорядоченная сонаправленность мономеров, димеров, а также образование пентамеров.

Рассчитывалось относительное количество молекул воды, длинны межмолекулярных Н-связей которых лежат в определенных интервалах. Сделан вывод, что в отсутствии электрического поля наблюдается унимодальное распределение относительного числа молекул воды по длинам межмолекулярных Н-связей.

В сильных электрических полях устанавливается бимодальное распределение с максимумами функции распределения, соответствующих значениям длин межмолекулярных связей меньших и больших длинны в отсутствии электрического поля.

Список литературы:

1. Водный кластер [Электронный ресурс]. – Википедия.