Простая вода или новые мифы в научпопе (обзор ролика от канала SciOne). Часть 1⁠⁠

А знаете ли вы, что сегодня успех учёных тесно связан с таким понятием, как «цитирование» (то есть число упоминаний его работ в работах других учёных). А значит, нужны громкие, провокационные заголовки, парадоксальные предположения в абстрактах (т.е. введениях) и так далее. Говоря современным языком, чем более хайпово будет написана статья, тем больше шанс что её прочитают, а значит, тем больше шанс что её процитируют. К сожалению, этот процесс имеет и негативные стороны. Например, когда с такой статьёй начинает знакомиться журналист, не имеющий профильного образования, а тем более не владеющий терминологией на иностранном языке, он может сделать неверные интерпретации фактов, выдать за истину предположение, основанное на куче условностей. Да и, в конце концов, такой журналист может стать жертвой политической пропаганды, и, используя очевидно недостоверную информацию начать выдавать идеи пропагандистов за мысли учёных. Об одной такой ситуации мы сегодня и поговорим.

Не так давно мне на глаза попался ролик от канала SciOne, под громким названием «Вода, которой не должно быть». Интересно, подумал я. Сколько уже люди роются в этой воде и неужели в ней осталось ещё что-то, что плохо объяснялось бы современной наукой. Увиденное меня, мягко говоря, огорчило. Для желающих послушать есть видеоформат, который, в данном случае много удобнее:

Для тех же, кто больше любит читать я попробую предоставить текстовый формат. В виде цитат я буду предоставлять отрывки из ролика и пытаться их разобрать.

Ролик начинается с рассказа о так называемой «поливоде», сложной системе, образующейся в тонких запаянных капиллярах. Явление, которое, действительно, в своё время наделало некоторое количество шума, но с ней довольно быстро разобрались.

0:44 «…Речь шла о том, что её молекулы имеют более низкий энергетический уровень, а значит, при контакте с молекулой обычной воды она может переводить её в своё состояние и превращать в себя…» 0:55

Скажу сразу, что тут нужно помнить, что разговор идёт об учёных, работавших в 60-70 годах прошлого века, а значит знакомые с теориями термодинамики Гиббса, которые он сформулировал уже в 1875г [1], основами квантовой механики и прочими передовыми на тот момент достижениями науки. И термодинамика Гиббса нам на этот счёт сообщает, что любая система всегда будет стремиться к минимуму своей потенциальной энергии и этот минимум зависит от внешних условий, в которых наша система находится. Для того, чтобы состояние системы изменилось, над ней нужно либо совершить работу, сообщив ей энергию, либо заставить саму систему совершить работу, отняв таким образом у неё энергию, либо поместить систему под действие внешнего поля.[2]

Отсюда следует, что, во-первых, говорить об энергии отдельной молекулы довольно глупо, ведь речь идёт о системе, состоящей из большого числа молекул, взаимодействующих друг с другом, что приводит к тому, что суммарная энергия системы не будет равна сумме энергий составляющих её молекул без учёта этих взаимодействий. А во-вторых, молекула не может переводить в своё состояние другие молекулы. Это можно делать меняя внешние условия, например, нагревая или сдавливая воду. С другой стороны, если внешние условия постоянны, то, следуя принципам термодинамики и законам сохранения энергии, потенциальная энергия новой системы будет где-то между энергиями этих двух систем. Более того, вклад каждой из систем будет пропорционален количеству вещества, имеющейся в данной системе. Ну, попробуйте, например, капнуть каплю холодной воды в 20-литровую кастрюлю кипятка. Очевидно, что у капли холодной воды потенциальная энергия системы много ниже. Но почему-то эта капля не переведёт в своё состояние 20 литров кипятка. Более того, эффект будет настолько ничтожен, что скорее всего мы его даже не сможем зафиксировать.

Но зачем же вообще тогда предполагать подобные абсурдности? Учитывая время проведения экспериментов, есть очень хорошая вероятность того, что это был один из инструментов пропаганды США против соц.блока. Известны случаи когда научную новость очень сильно искажали журналисты. Например, примерно в это же время появилось известие о том, что даже незначительная прибавка калифорния к делящемуся материалу существенно опускает критическую массу для этого материала. На основании этого кто-то предположил, что в таком случае можно начинить таким материалом пулю и это будет такая компактная атомная бомба, что в последствии привело к тому, что, цитата: «…в американских журналах печатались статьи с описанием храбрых снайперов, которые выстрелами из винтовок, заряженными калифорниевыми патронами, преграждают путь целым армиям…». [3, 4] Разумеется, в действительности такие патроны не изготавливались, но статьи с таким наполнением позволяли как выбить денег на исследование, так и объяснить гражданам зачем нужно столько денег тратить на оборонный бюджет. А значит, и данное высказывание можно рассматривать не как научное заключение, а, скорее, как политическое.

2:41 «…Ещё в XIX веке некто Вильям Томсон, вошедший потом в историю как лорд Кельвин, описал эффект при котором вода испаряется быстрее, когда она в виде отдельных капель, чем когда она в чаше, а в стеклянной трубке так совсем медленно. Учёный объяснил это тем, что у капли сильнее искривлена поверхность, из-за чего она иначе взаимодействует со средой. Это называют капиллярными явлениями...» 3:03

Докладываю. «Капиллярные явления», более известные как «капиллярный эффект», есть совокупность явлений, которые протекают на границе раздела фаз. Если говорить простым языком, то в случае, например, когда взаимодействие жидкости с твёрдой поверхностью термодинамически выгоднее, чем с газом, то жидкость будет «размазываться по такой твёрдой поверхности (как принято говорить, она будет её смачивать). Например, вода очень хорошо смачивает стекло. В противном случае, наоборот, жидкость будет собираться в капли, стараясь как можно сильнее уменьшить площадь соприкосновения с твёрдым телом и, соответственно, увеличить с газовой фазой. Так, например, ведёт себя вода на поверхности тефлоновой сковороды или ртуть на поверхности стекла. А вот скорость испарения объясняется не капиллярным эффектом и не взаимодействием жидкости с абстрактной средой, а зависимостью величины насыщенного пара от формы поверхности. Эта зависимость получила название «Закон Лапласа» [5], а разность в давлениях называют капиллярным давлением.

Обратите внимание, как похожи названия «капиллярное давление» и «капиллярные явления». Человеку, не подкованному в данной области легко запутаться и принять одно за другое, хотя, по сути, это абсолютно разные явления, хоть и имеющие свой вывод примерно из одних и тех же характеристик жидкостей (поверхностное натяжение, энтальпия, энтропия и т.д.).

3:48 «…Он (Федякин) опубликовал статью об исследовании в советском научном журнале, который читали только в СССР…» 3:53

Ну тут уж, простите, не могу не заступиться за нашу науку. Читали наши научные журналы много где. Читали учёные стран социалистического блока, читали и на западе. Мало, конечно, но читали. Равно как и у нас читали западную научную литературу.

3:53 «…И только один человек обратил внимание и ухватился за открытие…» 3:56

Ну… Было бы странно, если бы за это ухватилась, например, группа учёных изучающих переработку нефти или занимающуюся ион-проводящими керамиками. Открытием занялась группа, подчёркиваю, группа учёных, специализирующаяся в данной тематике. И очевидно, что раз разговор идёт о Московском отделении Российской академии наук, то и руководитель лаборатории, в которой проводится исследование очевидно будет выдающийся учёный, академик или член-корреспондент. Наличие профессора на такой должности скорее исключение. Поэтому говорить о том, что за идею ухватился только один, но видный учёный — это полное непонимание того, как работает современная наука и как устроены научные институты.

4:53 «…Стало ясно, что это наиболее термодинамически стабильная форма воды из всех прежде известных, а значит, при любом контакте с обычной водой, обычная будет принимать такое же состояние…» 5:05

А вот здесь повествование уже начинает противоречить самому себе. Ведь, как мы помним, нам показывали ампулу, где жидкость разделилась на две разных, хотя была одна. А это значит, что как только образуется один «очаг» этой особой воды, то, следуя логике утверждения выше, она должна вся перейти в такое состояние. Но экспериментально-то мы этого не наблюдаем! Выводы? Я думаю, вы можете сделать их самостоятельно.

5:06 «…Пора было ошарашить мир. Это почти как запустить первого человека в космос. И это точно Нобелевка…» 5:12

Нет, понятное дело, что это всего лишь оценочное суждение автора данного ролика. Но давайте посмотрим, а за что присуждали нобелевские премии по физике и химии в это время (период с 1964 по 1967г).

Итак, физика:

В то же время в химии:

Опять же, для человека, не сильно сведущего в естественных науках, эти слова не говорят практически ни о чём, но если разобраться детально, то будет очевидно, что открытие, пусть и аномального, но одного вещества по размаху и значимости даже рядом не стоит с открытиями, за которые в это время вручали нобелевские премии. Не думаю, что Дерягин всерьёз на это рассчитывал.

5:50 «...Учитывая полученные данные, учёные объяснили поразительные особенности этой воды её особой структурой, а не составом. У обычной воды молекулы не разлетаются в разные стороны по тому, что их притягивают друг к другу межатомные силы, их называют силы Ван-Дер-Ваальса, по имени первооткрывателя. Совсем не это происходит в аномальной воде. Там молекулы HO образуют более сильные химические связи. Частицы соединяются вот в такие цепочки из шестиугольников…» 6:19

Опять противоречие. Здесь, смотрите какая штука. Само определение слова молекула говорит нам о том, что это группа атомов, которые связаны между собой химическими связями. А это значит, что если между молекулами воды образуются именно химические связи (которые действительно много прочнее межмолекулярных), то и эти молекулы превращаются в одну большую молекулу типа НО или что-то такое. А это значит, что у нас появляется новое вещество, а значит, меняется состав. Но нам-то было сказано, что объяснение было сделано на основе структуры, а не состава, а значит, новых веществ быть не должно, а значит не должно быть и новых химических связей. Более того, если мы внимательно посмотрим на структуры, то увидим там трёхвалентные кислороды и двухвалентные водороды:

Стоит отметить, что химическая связь — есть связь, образованная за счёт создания общих электронных пар между атомами. Учитывая, что, как говорилось ранее, в 1966 году была выдана нобелевская премия за работы по методу молекулярных орбиталей, то метод октетов Льюиса и метод валентных связей был широко к тому времени известен. И, применяя эти методы к водороду и кислороду, мы с полной уверенностью можем сказать, что такие структуры с химической связью существовать попросту не могут.[6]

Но что мы тогда видим на картинке? А на картинке мы видим модель взаимной ориентации молекул воды друг относительно друга за счёт как раз таки Ван-дер-Ваальсовых сил. Притом модель довольно условную, ибо эти структуры, на самом деле, не плоские, а объёмные. Такие модели, кстати, даже в школах есть в огромных количествах. Вот, например, такая модель в той, в которой работаю я:

Посмотрите, как похожа! А так как на тот момент отсутствовали методы, которые позволяли бы установить позицию водорода точно, то его располагали посередине между атомами кислорода, как бы в суперпозиции (тут можно говорить об причастности водорода к тому или иному атому кислорода, о туннелировании и так далее, но это мы полезем совсем уж в дебри). И тогда действительно, мы говорим об особой структурной организации молекул в жидкости.

Ван-дер-Ваальсовы связи — это, в отличие от химических, связи, основанные на дисперсионных и электромагнитных взаимодействиях между различными молекулами. Одной из таких связей является так называемая «водородная» связь, которую могут образовывать соединения, имеющие сильнополярную связь какого-либо элемента с водородом. Такими связями может похвастаться вода, фтороводород и ряд других соединений. Сила таких взаимодействий такова, что, например, фтороводород способен существовать в виде двух-, трёх-, четырёх- и более молекулярных ассоциатов даже в газовой фазе,[7] не говоря уже про ассоциаты в жидкости.

Ну и раз уж начал, то позвольте придраться. Всё же Ван-дер-Ваальсовы силы образуются между молекулами, а не между атомами, как было сказано.

6:50 «...Поливодой объясняют пластичность глины, ... Поливода объясняет как озимая пшеница переживает морозы во влажной почве, и как это же получается у некоторых животных типа древесных лягушек, которые могут вмерзать в воду, а лёд образуется у них под кожей и ничего…» 7:09

Здесь стоит отметить то, что не открытие «поливоды» позволило объяснить эти явления, а на основе открытой поливоды появились новые теории, объясняющие эти процессы. То есть не «из-за поливоды происходит то и то», а «вероятно, что то и то происходит именно по причине этих и этих свойств поливоды и сейчас мы попробуем это как-нибудь обосновать».

7:38 «…Они без труда повторили и получили её (поливоду) на своём оборудовании, но всё пошло не так, когда начали светить аргоновым лазером. На месте образца оставался уголёк. Это было странно…» 7:49

Разумеется странно! Если при облучении образца, состоящего из водорода и кислорода вы получили уголёк, который состоит из атомов углерода, то либо вы смогли при помощи аргонового лазера осуществить ядерную реакцию и вот это уже точно нобелевка и мировое признание, либо вы криворукий лаборант, который загадил чем-то образец.

8:08 «...Тут Русо осенило! Он регулярно играл в гандбол и как-то выжал пот со своей футболки и прогнал через спектрометр где до этого гоняли поливоду. Спектрограмма получилась практически такой же как у поливоды…» 8:20

Ну во-первых, на месте научрука этого аспиранта я сначала огрел бы его тигельными щипцами, а затем отправил бы отмывать белый керамический тигель от следов хлорида железа (III), ибо аспирант, запихивающий свой пот в дорогой и сложный прибор, по уровню интеллекта сопоставим с офисным клерком, который при помощи дорогого сетевого МФУ сканирует свою голую задницу.

При этом стоит отметить, что человеческий пот, особенно не чистый, если можно так сказать, а выжатый с футболки, содержит такое количество различных веществ и соединений, что его спектр будет похож на забор.

8:20 «...Да, загадочная поливода была лактатом натрия из соли человеческого пота. Как пояснял Русо, даже малому количеству достаточно было испариться с кожи учёных в лаборатории, чтобы осесть потом с конденсатом на трубках, где потом получали поливоду и придавать ей те самые невероятные для воды свойства…» 8:38

Первое предложение очень смахивает на тупой машинный перевод с иностранного языка. С точки зрения химии написанное просто нелепо. Если делать этот перевод по уму, то должно получиться следующее: «Да, загадочная поливода была раствором лактата натрия — соли, имеющейся в человеческом поте.»

А вообще сама по себе ситуация довольно абсурдна. Если небольшой капли с лактатом натрия хватает для того, чтобы превратить в поливоду обычную воду в тонком капилляре, то почему же вода не превращается в поливоду когда потный человек прыгает в бассейн? Когда человек пьёт горячий чай? Да когда этот лактат натрия находится вообще внутри самого человека в конце концов? Или лактат натрия обладает интеллектом и включает у воды особые свойства только тогда, когда попадает в тонкий капилляр в исследовательской лаборатории? Как интересно это всё!

Более того, изначально нам говорили, что спектрограммы (без указания спектрального метода, который использовали) поливоды были уникальны. Но разве к тому времени никто не снимал спектров солей популярных органических кислот? В это также с трудом верится.

Да и лактат натрия — это же сильный электролит, при том в условиях наших систем он находится в предельно малых концентрациях. А значит, такая жидкость должна подчиняться закону Рауля, открытому в 1887 году. А она, судя по экспериментальным данным, не подчиняется. А, между прочим, опровержение закона Рауля — это открытие посильнее поливоды будет!

В общем, вся эта история, пусть даже, возможно, и описанная в научном журнале, очень сильно смахивает на байку, к которой нужно прилагать кота и лампу.

8:40 «…Но пропитанный потом дерзкий аспирант отменил научную революцию, конец света изо «льда-9», опрокинул пентагон, ЦРУ и мэтра советской химии, ну, конечно, не сразу. Статья парня в science заставила всех бороться за поливоду до конца. Все стали проверять его: «Да ладно! Не может быть!» и тогда уже посыпались одна за другой статьи с подтверждением: «Ай-ай-ай! Да, соль, бывает. Давайте теперь поговорим о чём-то другом»...» 9:04

Ну тут прям откровенный поклёп на нашу науку в целом и на Дерягина в частности. Вообще, глядя на форму повествования, стиль и прочие особенности текста, я склоняюсь к мнению, что это либо перевод одной американской художественной научно-популярной статьи (ключевое слово — художественной), либо компановка двух-трёх таких статей на эту тему. Ну посмотрите, как всё красиво. И завязка есть, с учёным одиночкой, труды которого никому не были интересны, кроме одного светилы. И казалось бы изученное вдоль и поперёк вещество теперь вновь окутано тайной, и множество умов, которые не смогли разгадать эту тайну. И молодой неизвестный учёный который с помощью колхозных методов взял и всё разгадал. Хэппи энд! Красиво! Хоть фильм снимай! Только вот действительности, к сожалению, это всё соответствует мало… Как говорилось в тексте ролика, сам Дерягин изначально писал, что в воде есть примеси натрия и калия. Да и к работе изначально было достаточно много вопросов и не только из-за рубежа. В частности Л.В. Гинсбург сильно критиковал эту работу, говоря о том, что это смесь воды и различных гидрозолей, заявляя в частности: «…Этот пример поучителен во многих отношениях, в частности как напоминание о необходимости любое открытие считать окончательно установленным лишь после многократной и всесторонней проверки» [8].

Обратите внимание, год тот же самый, что и в статье про аспиранта, но заявления совсем другие. И именно Дерягин позже сам сформулировал возможную причину такого поведения воды и опубликовал по этому поводу статью в Nature[9]. Примесью оказались не низкомолекулярные соли, а полифосфаты и полисиликаты, которые, с одной стороны, попадали в эту воду не магически по воздуху, а переходили в раствор с поверхности стекла, из которого состоит капилляр. Этим, кстати, в том числе, можно и объяснить то, что в СССР эксперимент воспроизводился очень хорошо, а в мире с вероятностью 30-40%. Разные страны использовали разное сырьё и разные методы производства химического стекла. А во-вторых, так как эти полифосфаты и полисиликаты полимерны, то и свойства поливоды соответствовали свойствам растворов полимеров. То есть, обратите внимание, после публикации работы про лактат, споры не только не утихли на ближайшие два года, но разворачивались вокруг совсем других теорий и гипотез. Что, кстати, разумно.

9:04 «…Конечно, такое всеобщее и настолько полное помутнение имеет причину. Одна из них — страхи эпохи холодной войны…» 9:11

Эта фраза также явно демонстрирует полное непонимание того, как работает наука. При чём здесь помутнение? Одни учёные нашли необычное свойство, опубликовали статью. Другие проверили, нашли нестыковки, раскритиковали, или наоборот, воспроизвели и дополнили. Это обычные будни учёных. И сегодня есть масса примеров, когда на один и тот же процесс имеется две или больше точек зрения. Лично я, защищая свой диплом, столкнулся с вопросом механизма работы Mn-катализаторов при окислении озоном. Таковых механизмов не один и учёные из разных стран активно пытаются доказать, что именно предложенный ими механизм истинный. И за каждой публикацией есть ещё целый ряд исследований, ссылающийся на эту публикацию и дополняющих её. И этот вопрос решится тогда, когда будет придуман метод, убедительно доказывающий ту или иную точку зрения.

Но, всё же, как я и говорил, без политики тут не обходится. Только эту политику творят, в основном, не учёные, а как раз популяризаторы, которые и превращают обычные научные будни в инструмент пропаганды. Здесь, к слову, отлично видно, что кадры фильма взяты из западного ролика. Лето и улыбающаяся молодёжь у них, зима, военные и колючая проволока у нас.

Продолжение в следующем посте по ссылке: Простая вода или новые мифы в научпопе (обзор ролика от канала SciOne). Часть 2

Литература:

1) Храмов Ю. А. Гиббс, Джозайя Уиллард // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 83. — 400 с.

2) Еремин В. В. и др. Основы физической химии: учеб. пособие: в 2 ч //О-75 Теория и задачи. – 2013.

3) Петрянов-Соколов И. В. и др. Популярная библиотека химических элементов. Книга вторая: серебро-нильсборий и далее. – Москва: Наука, 1983. Стр.431.

4) Mann, Martin (July 1961). "Facts and Fallacies of World War III". Popular Science. 179 (1): 92–95, 178–181. ISSN 0161-7370

5) Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. – Москва: высшая школа, 2004г. Стр.55

6) Д. Шрайвер, П. Эткинс. Неорганическая химия. В 2-х т. Т. 1/ Пер. с англ. М.Г. Розовой, С.Я. Истомина, М.Е. Тамм. — М.: Мир, 2013. Стр.108-134

7) Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. Пособие для ВУЗов. 3 изд., испр. М.: Химия, 2000. Стр. 253, реакция 12

8) Гинзбург В.Л. УФН 103 87 (1971).

9) Derjaguin B. V. and Churaev N. V. Nature of «Anomalous Water» (англ.) // Nature. — 1973. — Vol. 244, no. 5416. — P. 430—431. — doi:10.1038/244430a0

10) http://crystallography.net/cod/search в графе поиска по химической формуле вбить «O2 Si».

11) https://ru.wikipedia.org/wiki/Металлический_водород

12) https://ru.wikipedia.org/wiki/Уран_(планета)

13) https://ru.wikipedia.org/wiki/Нептун

14) https://ru.wikipedia.org/wiki/Ледяной_гигант

15) Canale L. et al. Nanorheology of interfacial water during ice gliding //Physical Review X. – 2019. – Т. 9. – №. 4. – С. 041025. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.041025

16) https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий

17) Г. Р. Иваницкий, А. А. Деев, Е. П. Хижняк. Может ли существовать долговременная структурно-динамическая память воды? // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2014. — Т. 184, № 1. — С. 43—74. — doi:10.3367/UFNr.0184.201401b.0043

http://thermophysics.ru/pdf_doc/MeWa.pdf

18) https://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_liquid–gas_bound...

19) https://ru.wikipedia.org/wiki/Распространённость_химических_...

20) https://ru.wikipedia.org/wiki/(25143)_Итокава