Альманах «ЭВРИКА»

Часть  2     ЕСЛИ СДВИНУТЬ ЗЕМНУЮ ОСЬ

СЮРПРИЗЫ ВОДЫ

Неожиданные свойства воды исследуются сегодня группой ученых Института физической химии АН СССР. Оказалось, что тонкие приповерхностные слои воды и других жидкостей имеют особые свойства. Изучение этого явления открывает путь к управлению многими технологическими процессами, такими, например, как опреснение морской воды или строительство в зоне вечной мерзлоты.

НАВЯЗАННАЯ СТРУКТУРА

Почему вода жидкая? Почему она может течь, литься, капать? Все дело в ее структуре. Жидкость — промежуточное состояние, в котором вещество уже лишено строгой упорядоченности твердого кристалла, но полного хаоса, присущего газообразному состоянию, в его структуре еще нет. В жидкостях соблюдается лишь «ближний порядок»: на небольших расстояниях частицы расположены более или менее упорядоченно, но по мере их удаления друг от друга этот порядок быстро исчезает. Средние расстояния между частицами

этого «ближнего порядка» задаются силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. В воде, например, атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой и т. д. Именно эта чрезвычайно развитая сеть водородных связей и придает воде многие поистине уникальные свойства, позволяя, в частности, говорить, что структура этой жидкости в чем-то сродни структуре кристалла.

Ученые выяснили, что если в свободном объеме вода как бы сама себе задает структуру, то при соприкосновении с твердой поверхностью структура последней начинает «навязываться» граничащему с ней слою жидкости толщиной от 10 до 100 ангстрем (ангстрем равен одной десятимиллионной доле сантиметра). Коль скоро структура этого граничного слоя воды оказывается измененной, иными становятся и его физико-химические свойства, в частности вязкость и способность растворять вещества.

ПАРАДОКСЫ ГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Граничный слой воды с измененными свойствами существует, естественно, лишь в зоне, близкой к твердой поверхности. Однако представим, что вода находится в очень тонком капилляре— тоньше самого граничного слоя. И тогда окажется, что вся жидкость в капилляре уже не та, какой она была в свободном объеме. То же самое произойдет, если жидкостью пропитать какое-либо пористое вещество. Но ведь пористые вещества, пропитанные жидкостями, встречаются буквально на каждом шагу. Это и почва, и различные строительные материалы. И во всех этих пористых материалах вода, как выяснилось, имеет вовсе не те свойства, каких от нее следовало бы ожидать.

Одна из серьезнейших проблем, стоящих   перед   человечеством,— дефицит пресной воды. В разработке экономических методов опреснения морской воды советские специалисты достигли значительных успехов. В частности, среди этих методов весьма перспективным оказалось использование так называемых мембранных фильтров. Суть проста: морская вода продавливается сквозь мембрану, не пропускающую растворенные соли. И в этом «сите», способном отделять ионы от молекул воды, главную роль играют как раз особые свойства граничного слоя. Дело в том, что, как только соленая морская вода попадает в пору мембранного фильтра, она сразу же оказывается как бы в очень тонком капилляре и ее свойства существенно меняются. В частности, меняется ее способность растворять соли. Значит, если с силой продавливать через эту пору соленую воду, то с другой стороны мембраны выдавится вода, содержащая лишь столько соли, сколько ее могло раствориться в граничном слое.

Если же за одним фильтром поставить второй, третий, то в конце концов можно получить воду, практически лишенную солей.

Разумеется, поры мембранного фильтра должны быть очень тонкими, а чем тоньше пора, тем большее давление понадобится для того, чтобы выдавить через нее капельку пресной воды. Получается замкнутый круг: чтобы увеличить производительность фильтра, поры нужно увеличить, а чтобы фильтр работал лучше, их нужно уменьшить...

Изучение свойств граничных слоев позволит, возможно, справиться с этой проблемой: ведь если придать материалу мембранного фильтра способность сильнее притягивать молекулы воды (эта операция носит название гидрофилизации), то толщина граничного слоя существенно возрастет и диаметр пор можно значительно увеличить, не ухудшая способности фильтра опреснять воду.

ПРОТИВ КОВАРСТВА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Значительная территория нашей страны лежит в зоне вечной мерзлоты. Сейчас природные богатства этих мест начинают интенсивно осваиваться. А это значит, что на мерзлом грунте прокладываются дороги, строятся жилые дома и предприятия.

Вечная мерзлота доставляет строителям немало хлопот. Например, если грунт под фундаментом подтает, то здание осядет и может разрушиться. А еще больше неприятностей доставляет так называемое пучение мерзлого грунта: иногда без всяких видимых причин почва под строением или дорожным полотном начинает медленно, неудержимо вспухать, из-под земли выпирает невесть откуда взявшаяся глыба льда, сокрушающая творения рук человеческих.

В чем причина этого явления? Оказалось, что тут не обошлось без граничного слоя. Это было проверено с помощью простых, но эффективных модельных экспериментов. Вода в капилляре была заморожена, и один конец капилляра соединен с баллоном со сжатым газом. Потом температуру стали медленно повышать, но не успела она еще достичь нуля, как ледяной столбик медленно пополз по капилляру!

Сотрудниками Института физической химии было обнаружено и другое явление, имеющее самое непосредственное отношение к морозному пучению грунтов,— так называемый термокристаллизационный перенос. Если в лед, находящийся в капилляре, был вморожен пузырек воздуха, то пузырек начинал медленно перемещаться к более холодному концу: с одной стороны пузырька лед таял и испарялся, а с другой кристаллизовался. Оказалось, что в тонких порах этот процесс значительно ускоряется за счет перемещения вязкого, но незамерзающего граничного   слоя    воды.    Аналогичное явление роста льда в пористых телах и объясняет морозное пучение. Вместе с тем с помощью несложных приемов этот процесс можно не только приостановить, но и повернуть вспять, то есть добиваться «рассасывания» образовавшихся в вечномерзлом грунте ледяных линз.

Учитывая обнаруженные закономерности поведения льда в пористых телах, удалось дать и научно обоснованные рекомендации по созданию морозостойких строительных материалов: ведь, изменяя свойства поверхности пор, можно регулировать и свойства граничного слоя, а значит, предотвращать образование скоплений льда, способного разрушить и кирпич, и бетон, и    другие    строительные    материалы.