Компьютерная модель взаимодействия молекул воды

Посмотрите вокруг. Океан, покрывающий нашу Землю, в котором миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, - это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, - и это вода. Бесконечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественные и нежные краски небосвода при восходе солнца. Эта привычная и всегда необыкновенная симфония цвета связана с рассеиванием и поглощением солнечного света водяными парами в атмосфере. Вода – это великий художник природы.

Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались горы, расстилаются бескрайние равнины, их создает великий преобразователь – вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода.

“Agua” в переводе с латинского языка значит “вода” и на латинском языке можно сказать о воде: «Aqua omnia sunt». Вода  существует везде. Как алфавит начинается с буквы “а”, так жизнь начинается с воды. Вода содержится в каждом человеке, животном и растении и уходит из них только вместе с жизнью. А о воде на английском языке можно сказать:

Water is very important for life on the Earth. There is much water on our planet. There is no ocean or sea which is not used as a dump.   It is so because very little water on the Earth is good for drinking. In many river and lakes water is not drinkable. For example Lake Baikal is the deepst freshwater lake on the Earth. The lake is very beautiful but now it is in great danger.   Many rivers and lakes are poisoned.    Fish and reptiles can’t live in them. Even fish die in such water. Sometimes people cannot swim even in the sea because the sea and the seaside are not clean. In such places all the birds leave theirs habitats. If people drink this water they can die. It happens so because factories and plants produce a lot of waste and pour it into rivers. So  they poison the water.

Рассмотрим,  что  представляет собой вода, т. е. какими физическими и химическими свойствами она обладает. Прежде всего, разберемся, почему вода может находиться в жидком и в твердом состоянии (лед) в условиях, в которых похожие соединения водорода с более тяжелыми элементами (серой, селеном и т. д. ) находятся в газообразном состоянии.

Гипотеза

Изучить строение образующихся полимеров воды оказалось довольно сложно, поскольку вода – смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.

Таким образом, в воде возникают стабильные кластеры, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности. Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов, потому их также называют «жидкими кристаллами» или «кристаллической водой». Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. "Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, при этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы организованный жидкий кристалл.  

Цель: создание компьютерной модели взаимодействия молекул воды.

Объект исследования: исследование строения и свойств воды.

Предмет исследования: выяснение характерных особенностей в строении для объяснения свойств воды.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретические основы строения и свойств воды.

2. Создать и экспериментально проверить компьютерную модель взаимодействия молекул воды.

Глава 1 Строение молекулы воды и ее свойства.

1. 1. Современная модель воды

Особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Одна из первых моделей воды – модель Фрэка и Уэна. В соответствии с ней водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают совместно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных “мерцающими кластерами”. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость. Считается, что благодаря таким свойствам вода служит одним из самых универсальных растворителей.

Но во второй половине XX века возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку водородных связей, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.

Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г.  Немети и Х.  Шераги .

Существуют достаточно убедительные свидетельства в пользу того, что в жидкой воде присутствуют весьма устойчивые полимерные структуры. В 1993 году американский химик Кен Джордан предложил свои варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул. Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Особенностью этой модели является то, что из нее автоматически следует, что свободно растущие кристаллы воды, хорошо известные нам снежинки, должны обладать 6-лучевой симметрией.

В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона методом рентгеноструктурного анализа с помощью сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей образовывать структуры - "истинные кирпичики" воды, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.

1. 2. Модель структурированной воды

Модель структурированной воды определяет почти все её аномальные свойства, имеющие огромное практическое значение. Диаметр молекулы воды 2,8 А (1 ангстрем = 10 -10 м). Если рассматривать воду как простую совокупность молекул Н 2 О, то оказывается, что её удельный вес должен составлять 1,84 г / см 3 , а температура её кипения будет равна 63,5°С. Но, как известно, при нормальной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г / см 3 , а кипит вода при 100°С. Можно предположить, что внутри воды должны быть пустоты, где нет молекул Н 2 О, то есть воде присуща особая структура. Это принципиальное открытие было сделано английским физиком Берналом. С тех пор в этой области проведено множество исследований, но полной ясности в этом вопросе еще нет.

1. 3 Структура кластеров воды

Вода – смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой и разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже практически невозможно. Группа исследователей из Калифорнийского университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р. Дж. Сайкалли расшифровала строение триммера воды, а затем тетрамера и пентамера, а потом и гексамера воды. Установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов (кластеров), содержащих от трех до шести молекул воды.

В 1999 г. Станислав Зенин провёл совместно с Б. Полануэром (сейчас в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали интереснейшие результаты. Применив современные методы анализа: рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии исследователям удалось обнаружить полиассооциаты - "кванты" воды. Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры. Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными.

Согласно гипотезе С. В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н2О. Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н 2 О (объемно-центрированный тетраэдр).

Способность молекул воды образовывать определенные структуры, основана на наличии так называемых водородных связей. Эти связи не химической природы. Они легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты воды, её структурные элементы.

Интересно, что свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и «водяных кристаллов», где количество связанных в водородные связи молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.

В соответствии с теорией Смолуховского-Эйнштейна, среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s2) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости (, размеру частицы r и постоянной Авогадро NA: s2 = 2RTt/6((rNA, где R – газовая постоянная.

«Водяные кристаллы» могут иметь самую разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых структур). В основе же всего лежит тетраэдр (простейшая пирамида в четыре угла). Именно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул Н 2 О образуют  разнообразные пространственные и плоскостные структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой, судя по всему (пока лишь не точно доказанное предположение) является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо.

Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых существ. (Приложение 3, рис. 9)

1. 4. Память воды

Вода хранит “генетическую память” вследствие того, что в структурно-динамических параметрах водной среды (обладающих специфической биологической активностью) остаётся информация о предшествующих воздействиях, включая воздействия самих водоочистительных процессов. Очищенной водой может считаться вода с высоким уровнем структурно-динамических параметров (по типу «талой воды»).

Особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию. На этой способности воды основана гомеопатия, имеющая уже двухсотлетний опыт и переживающая в наше время новый этап развития.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить большие объемы информации. (Приложение 3 рис. 8)

Переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей. Воздействующим объектом может быть и человек.

Структурной единицей воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

1. 4. 1. Современный взгляд на эффект памяти воды

Эффект памяти воды давно вошел в медицинскую практику. Немецкий ученый Самуэль Ганеман еще 200 лет назад разработал новый метод лечения, который назвал «гомеопатией». Растворяя или разводя лекарства во все более малых концентрациях в нейтральном растворителе (спирт, физраствор), Ганеман обнаружил, что их действие не только не исчезает, но и, наоборот, возрастает. После 12-го сотенного разведения лекарства в растворе не оставалось ни одной молекулы исходного вещества , а лекарства, разведенные порядка 10 тысяч раз, давали лучшие результаты лечения.

Феномен действия малых и сверхмалых концентраций вещества был тщательно исследован в ХХ веке. Во всем мире предпринимаются попытки уменьшить дозировку обычных лекарственных средств с целью уменьшения их вредного воздействия на организм, изучить действие сверхмалых доз, в сотни и тысячи раз меньших, чем в обычных лекарствах. Для лекарственной основы, в основном, используют воду. Что же остается в водном растворе от лекарства, если там нет даже молекулы этого лекарства?

В представлении современной физики жидкость отличается от твердого кристалла неупорядоченностью молекул. Различные исследования показывают, что вода является открытой, динамичной, структурно-сложной системой, в которой стационарное состояние легко нарушается при любом внешнем воздействии. И если в кристалле более или менее строгая атомная решетка, то в жидкости – хаос.

Но молекулы воды обладают способностью образовывать конгломераты типа кристаллов с помощью водородных связей, создавать «водородные мостики» (ассоциаты), которыми она может касаться других молекул. Эти водородные мостики долго считались недолговечными, проживающими одну миллиардную долю секунды.

Исследователи изучив структуру обыкновенной воды, исключив влияние всех примесей, обнаружили что, молекулы воды не двигаются хаотически по отдельности, а сцепляются в полиассоциаты-супермолекулы, состоящие из 57 молекул воды, образуя геометрические объемные фигуры правильной формы. 16 таких супер-молекул соединены между собой в один структурный элемент воды, состоящий из 912 молекул Н 2 О, напоминающий льдинку. Из таких «льдинок»-кластеров и состоит на 80% химически чистая вода. 15% представляют полиассоциаты-супермолекулы, и только 3% - отдельные классические молекулы Н 2 О.

Как показали исследования, кластеры из 912 молекул воды, составляющих 80% чистой воды, не разрушаются даже при температурах, близких к точке кипения, просто их концентрация немного уменьшается.

Но «льдинки»-кластеры почти не взаимодействуют друг с другом, не образуют сложных устойчивых конструкций и легко скользят гранями относительно друг друга, создавая текучесть. Воду можно сравнить с переохлажденным раствором, который никак не может кристаллизоваться.

А как же влияют на воду примеси? Известно, что каждая молекула воды представляет «диполь». Это значит, что она состоит из положительного и отрицательного полюсов, которые взаимно притягиваются. Благодаря этому, молекулы через водородные мостики соединяются в большие развитые структуры – кластеры.

Исследования С. В. Зенина показали, что когда в чистую воду попадают молекулы примеси, то вокруг них начинают ориентироваться определенным образом супермолекулы (кластеры) воды, а те, в свою очередь, ориентируют следующие «льдинки», притягивая или отталкивая. Создаются различные структуры, которые зависят от сочетания положительных и отрицательных зарядов на каждой грани полиассоциата, образуя сложные пространственные узоры. А это уже своеобразные шифры, варьируя которые, можно записывать разную информацию.

Вода приобретает общую структурированность, отражающую структуру растворенного вещества. Другими словами, вода записывает в себе информацию о растворенном веществе. Мы можем довести концентрацию вещества в растворе почти «до нуля» - вода все равно запомнит, что именно в ней было растворено. На этом и основан гомеопатический эффект.

Существует бесконечное разнообразие кластеров, потому что водородные мостики позволяют молекулам воды соединяться самыми различными способами. Конфигурация элементов воды самым чутким образом реагирует на любое внешнее воздействие: пропускают через воду ток – они образуют одну фигуру, меняют давление – кластеры тут же производят передислокацию, начинают играть с освещенностью, элементы выдают новую картину. То есть вода меняет свою структуру под воздействием многочисленных факторов.

Молекулы составляют в воде кластеры геометрически правильной формы в виде пяти «тел Платона»: тетраэдр, гексаэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Вода обладает единственной в своем роде космической резонансной способностью. Поскольку «тела Платона» существуют во всей Вселенной, вода путем резонирования с вибрационным образцом такой же формы может воспринимать информацию и отдавать ее вновь.

Подобные скопления молекул воды являются ее ПАМЯТЬЮ, потому что она накапливает информацию в своей такой разнообразной структуре. То, что образование кластеров не является продуктом случая, можно увидеть по структурам кристаллов льда и снега, которые существуют в бесконечных, но всегда правильных вариантах.

Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл. Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает высокую чувствительность информационной системы воды.

Если перекодирование, то есть переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды, оказывается энергетически значимым, то вода «структурируется», и новое состояние отражает кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества. Именно таким образом объясняются «память воды» и ее информационные свойства.

Предпосылкой вечной жизни клетки является качество воды в нашем организме. Чем выше это качество (чем больше геометрическое упорядочение ее молекулярных скоплений), тем лучше выделяются остатки обмена веществ, а клетки обеспечиваются «жизненной информацией». Подобная «кристаллическая» клеточная вода и есть, в лучшем смысле слова, «живая» вода.

Анализы биофотонов показали, что клеточная вода в живых организмах имеет чрезвычайно высокую степень упорядоченности, то есть имеет структуру льда. По данным многих авторов, лишь от одной четверти до трети клеточной воды является неструктурированной. Живые молекулы организма вложены в ледяную решетку, как в идеально подходящий им футляр.

Вода, отвечающая требованиям организма, в изобилии находится в фруктах, овощах, соках. А на структуризацию обычной (неструктурированной) воды организм тратит свою энергию.

Структура воды в организме играет огромную роль в получении извне, хранении и распространении информации. И эта структура фрактальна. Она изменяется под воздействием различных факторов, например, лекарства, агрессии, злобы, негативных мыслей, плохой экологии, неправильного питания или под воздействием «информации болезни или здоровья».

Исследования С. В. Зенина показали, что структура водной среды человека так же индивидуальна, как отпечатки пальцев. Именно она определяет качество крови, влияет на окислительно-восстановительные процессы, объясняет специфику каждого организма.

Итак, структурно-информационное свойство воды – это способность ее молекул образовывать кластеры, в структуре которых закодирована информация о взаимодействиях, имевших или имеющих место с данным образцом воды. То есть вода, воспринимая поступающую информацию от различных внешних воздействий, кодирует ее в структуре формирующихся при этом кластеров и изменяет значение своего структурно-информационного показателя.

В физическое тело человека, которое на 40-85 процентов состоит из воды и водных растворов, можно внести любую информацию путем воздействия на воду, находящуюся в организме. Кроме того, информационно можно воздействовать и на полевую энергоинформационную структуру человека, на торсионное поле, создаваемое каждой клеткой организма. А чтобы излечить человека от болезней, нужно ввести в его информационную структуру «информацию здоровья». Для поддержания здоровья следует не допускать внедрения негативной информации в жидкостные среды организма и энергоинформационные структуры человека или научиться избавляться от нее раньше, чем она проявится болезнью на уровне физического тела.

Таким образом, можно изменять различным полевым воздействием структуру воды, употребляемой человеком, и структурированная вода сможет оказывать организму биоэнергетическую подпитку на уровне лечебного и адаптационного воздействия. Ведь вода является основной средой, в которой протекают все физико-химические процессы в организме. При этом, человек будет сохранять большое количество своей жизненной биоэнергии, которую он затрачивает обычно при переработке различных химических препаратов и переструктурировании поступающей водопроводной воды.

Глава 2. Компьютерная модель взаимодействия молекул воды

Для создания компьютерных моделей молекул воды и броуновского движения я использую программную среду Delphi 7.

Для создания компьютерной тетраэдрической модели молекулы воды я использую программную среду Adobe Photoshop и ImageReady.

Размещаю на форме 4 надписи, 3 поля для ввода, панель, две кнопки и окно для рисования (Приложение 5, рис. 10);

Описываю переменные Molecula = record. Присваиваю вводимые числа переменным. Рисую фон. Описываю движение и определение начального положения частиц. Описываю столкновение частиц. Сдвигаю молекулы на новую позицию, чтобы они не выходили за границы экрана. Вывожу на экран компьютерную модель броуновского движения молекул воды (Приложение 5, рис. 11);.

В результате своей работы я пришел к следующим выводам:

1. Молекулы воды образуют определенные структуры, основанные на наличии водородных связей.

2. Выяснены характерные особенности в строении воды для объяснения ее свойств.

3. Созданы и проверены компьютерные модели молекулы воды.

Заключение

Вода играет уникальную роль, как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.

В земледелии: выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

Питьё и приготовление пищи: живое человеческое тело содержит от 55 % до 78 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. Для нормального функционирования организма человеку нужно усвоить от 1 до 7 литров воды за день в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и пр.

Растворитель: вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.

Теплоноситель: среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

Пожаротушение: вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции от огня в составе пены.

Спорт: многие вида спорта проходят на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже в воде. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и пр.