ИОННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

Физической основой электретного состояния воды является диссоциация молекул ее водных кластеров, в результате которой образуются ионы водорода (Н⁺) и гидроксила (НО^--). Эти ионы взаимодействуют с молекулами и образуют следующие ион-молекулярные комплексы (комплексные ионы) : Н^{+ .} Н₂О ( ион гидроксония) и НО^{-- .} Н₂О (гидроксид-ион). В соответствии с законами электродинамики и химической термодинамики эти ионы в структуре водного кластера образуют квазидиполи (ион гидроксония --- гидроксид-ион). Образовавшиеся квазидиполи непрерывно и неограничено во времени генерируют сильное электростатическое поле. Одновременно с процессом образования квазидиполей протекает процесс их уничтожения в результате рекомбинации их ионов и соответственно прекращается генерация поля. Превалирования образования квазидиполей над их уничтожением является необходимым условием, при котором водный кластер осуществляет неограниченную во времени генерацию электрического поля, т.е. характерное проявление электретного состояния вещества. Это позволяет идентифицировать водный кластер как наноэлектрет. При упорадоченном расположении наноэлектретов в результате суперпозиции их полей создается сильное электрическое поле воды, т.е. характерный признак ее электретного состояния.

1.           ЭЛЕКТРЕТНЫЙ И БИОЭЛЕКТРЕТНЫЙ ЭФФЕКТЫ

В начале 20-х годов минувшего столетия М.Егучи в результате проведенных исследований обнаружил, что застывший в сильном электрическом поле расплав карнаубской смолы, канифоли и пчелиного воска приобрел способность длительно (месяцы, годы) генерировать сравнительно сильное электростатическое поле. [1,2] Так был открыт класс физических объектов, которые предсказал О.Хевисайд и назвал электретами по аналогии с названием магниты (магнеты в английском звучании). 

В настоящее время благодаря исследованиям, проведенным учеными ряда стран, установлено, что электретное состояние может быть искусственно создано и образоваться самопроизвольно в веществе твердотельных и жидко-кристаллических диэлектриков и полупроводников и является одним из их фундаментальных свойств. Напряженность поля электретов (далее электретное поле) достигает значений порядка 10⁷В/м, а его генерация длится десятилетиями. [ 3 ] продолжительность генерации поля значительно сокращается при повышении температуры. В частности, она сокращается до нескольких часов у полимерных электретов при их нагревании в интервале температур 60 – 140^оС. (рис. 1.1 ) при поглощении электретами энергии ионизирующей радиации напряженность их поля мгновенно снижается и уменьшается время его генерации, т.е. время жизни электрета. Так, в частности, при поглощении термоэлектретами ионизирующей радиации в дозе 1 мрад эффективная поверхностная плотность их заряда уменьшается с 1,8×10^-9 Кл/см² до 0,66×10^-9 Кл/см². [ 4 ] Это свидетельствует о том, что большие кванты энергии, присущие ионизирующей радиации, разрушают электретное состояние вещества.

          Электретное состояние образуется в твердотельном веществе вследствие действия сильного электрического либо магнитного поля, коронного разряда и других факторов, вызывающих анизотропию его свойств, в частности электрическую анизотропию, т.е. электрическую поляризацию, оптическую анизотропию, анизотропию диэлектрической проницаемости, анизотропию электропроводимости и других свойств. [ 5,6 ] (далее указанные факторы будут называться анизотропогенными.) Следовательно, можно констатировать, что образование электретного состояния вещества сопряжено с возникновения в нем анизотропии ряда свойств.

          Характерной особенностью механизма генерации электретного поля является его зависимость от температуры: при медленном ее повышении и достижения ею определенной величины изменяется как величина и знак напряженности электретного поля, так и силы и направления течения электрического тока. (Рис. 1.1) Из графика на рисунке видно, что при повышении температуры весьма слабый электрический ток электрета возрастает, при этом изменения его силы и направления течения коррелируют с изменениями эффективной поверхностной плотности заряда и его знака, что соответствует изменениям величины и знака напряженности поля. Это свидетельствует о том, что ток течет вдоль градиента напряженности электретного поля и является его атрибутом. Этот ток преимущественно называют термостимулированным током (ТСТ ).

Picture 1

Рисунок 1. График 1.1. Электрет из полиэтилетерафталата: сплошная кривая плотность поверхностного заряда, штриховая спектр ТСТ; 1.2. Динамика напряжения электростатического поля проростков диплоидного и тетраплоидного клевера; 1.3. Спектр ТСТ стебля фасоли; 1.4. Динамика напряжения биоэлектретного поля 2-х человек в состоянии спокойного бодрствования- кривые 1, кривые 2 – напряжение фонового поля; 1.5. Спектр ТСТ костной ткани телят; 1.6. Спектр ТСТ костной ткани человека.

Совокупность генерации долговременного электростатического поля и ТСТ – это характерное проявление электретного эффекта. Для его идентификации достаточно обнаружения одного из его компонентов, т.е. поля либо ТСТ.

Вещество твердотельных и жидкокристаллических минералов, полимеров и биополимеров содержит связанную им структурированную воду. [ 7, 8, 9 ] В связи с эти исследована роль структурированной воды в образовании электретного состояния вещества и установлено, что эта вода является его молекулярной основой. [ 10 -- 14 ] Обзор результатов этих исследований и их анализ С. Маскаркенас опубликовал в 1979 году. [ 15 ]

Роль структурированной воды как субстрата, ответственного за электретное состояние диэлектриков и полупроводников, убедительно показана на примере белка лизоцима. [ 10 ] Во влажных образцах этого белка электретное состояние образуется в результате действия электрического поля напряженностью 10⁵В/м, а в обезвоженных при такой же и большей напряженности поля не образуется. (Рис. 2.b). Отраженная на рисунке корреляция степени влажности образцов и высоты пиков ТСТ свидетельствует о том, что возрастание количества воды сопряжено с возрастанием количества источников электретного поля.

Структурированная вода участвует в образовании электретного состояния вещества минералов. [ 15, 16 ] Влажные и обезвоженные образцы, в частности, оксида алюминия помещали в электрическое поле напряженностью порядка 10⁵В/м и охлаждали их до температуры – 250^о С. При медленном повышении температуры электретное состояние проявилось во влажных образцах и не проявилось в обезвоженных.

Рисунок 2. Термозависимая генерации электрического поля и тока в полимере и структурированной воде, перешедшей в электретное состояние: а) полимер, перешедший в электретное состояние, b) белок лизоцим, перешедший в электретное состояние, с) спектр ТСТ природной воды озера Байкал, d) спектр ТСТ дистиллированной воды того же озера.

Самопроизвольное образование электретного состояния в воде озера Байкал обнаружили российские ученые. [ 17 ] В воде, залитой в измерительную ячейку оригинальной конструкции, они обнаружили спектры ТСТ в образцах натуральной и дистиллированной воды, которые представлены на рисунках 2с и 2d. Авторы исследования полагают, что разность электрических потенциалов, которая обусловливает ТСТ, создается благодаря кулоновскому взаимодействию молекул и ионов воды с твердой поверхностью ячейки.

Таким образом, в настоящее время экспериментально установлено, что молекулярной основой электретного состояния минералов, полимеров и биополимеров является содержащаяся в них структурированная вода. Учитывая это, в дальнейшем изложении статьи под термином электрет будет подразумеваться электретное состояние структурированной воды.

В 1973 году Э. Менефи обнаружил спектр ТСТ у игл дикобраза, которые не подвергались действию анизотропогенных факторов. [ 18 ] Основываясь на этом факте, он идентифицировал естественное электретное состояние белка кератина, из которого состоят иглы. В этом же году были опубликованы результаты исследований о прижизненном существовании у людей электростатического поля, генерация которого зависела от тканевого обмена веществ. [ 19 ] Основываясь на результатах анализа этого факта, сделан вывод о естественном электретном эффекте живых тканей. Учитывая зависимость от тканевого обмена веществ, обнаруженный эффект назван биологическим электретным эффектом (биоэлектретный эффект). [ 19, 20 ]

Впервые прижизненное электрическое поле живой растительной ткани, а именно у колеоптиля кукурузы обнаружили в 1962 году немецкие ученые Грам и Герц. [ 21 ] С целью дистанционного определения постоянных электрических токов, присущих живым тканям, они применили вольтметр, основанный на явлении электростатической индукции (вольтметр с вибрирующим электродом), и на расстоянии 1–2 мм от поверхности колеоптиля обнаружили электростатическое поле, величины напряжения которого были в пределах 30 – 65 мВ. [ 21 ] Напряженность этого поля коррелировала с текущем в колеоптиле постоянным электрическим током (далее постоянный ток – ПТ ). Этот ток – характерное свойство живых тканей человека, животных и растений. [ 22 ] Величина напряжения обнаруженного поля зависела от тканевого метаболизма: при введении в питательный раствор исследуемого растения индолуксусной кислоты (ауксина) – стимулятора метаболизма напряженность поля возрастала, а при введении 2,4-динитрофенола --- ингибитора метаболизма на порядок снижалась. Факт существования у живой растительной ткани долговременного электростатического поля, генерация которого зависела от тканевого метаболизма, подтвержден в последующих исследованиях, проведенных рядом ученых. [ 10, 11, 12 ] Результаты одного из них отражены на графике рисунка 1.2. На графике видно, что восходящая часть кривой напряжения поля совпадает с периодом начального размножения клеток семян клевера вследствие гидратации их на влажной фильтровальной бумаге, а ее нисходящая часть соответствует периоду увядания проростков семян вследствие их дегидратации и соответственно снижения в них интенсивности метаболизма. Второй компонент электретного эффекта, т.е. ТСТ, обнаружен в живой растительной ткани в 1964 году. [ 13 ] Результаты этого исследования отражены на графике рисунка 1.3. В дальнейшем наличие ТСТ у живых растительных тканей подтверждено в исследованиях, проведенных на проростках озимой пшеницы и листьях толстянки портулаковой. [ 11, 14 ]

Таким образом, в 1962 и 1964 годах в живой растительной ткани были обнаружены оба компонента электретного эффекта – долговременное поле и ТСТ, но они не были идентифицированы как отличительные признаки естественного электретного состояния ее вещества.

Существование электростатического поля в воздухе вблизи поверхности тела человека известно с начала минувшего столетия, когда были созданы электрометрические вольтметры, позволяющие измерять напряжение электрического поля в воздухе. Происхождение этого поля связывали с зарядами, которые возникают на поверхности кожи человека при трении. Эти заряды называют трибоэлектрическими. При заземлении поверхности кожи человека они нейтрализуются в течение нескольких минут. [ 23 ]

В 1972 году при условии нейтрализации трибоэлектрических зарядов на поверхности тела у практически здоровых людей обнаружено электрическое поле, генерация которого зависела от тканевого обмена веществ. [ 15 ] Это поле, как упомянуто выше, отождествлено с естественным электретным эффектом живых тканей (биоэлектретный эффект). Динамика полевого компонента этого эффекта, т.е. биоэлектретного поля, у двух испытуемых практически здоровых людей в состоянии спокойного бодрствования отражена на графике рисунка 1.2.

Второй компонент биоэлектретного эффекта – спектр ТСТ в переживающей костной ткани теленка описали А.Либофф и М.Фурст. [ 16 ] (Рис. 1.5) Как установили эти ученые, обнаруженные им спектры ТСТ, обусловлены белком коллагеном, который составляет 25 –35 % белка, содержащегося в тканях теплокровного организма. В образцах переживающей костной ткани человека спектр ТСТ описан в работе [ 24 ] и отражен на графике рисунка 1.6.

Таким образом, из результатов описанных выше экспериментальных исследований следует, что естественное электретное состояние присуще как живым, так и мертвым тканям, а его молекулярной основой является структурированная вода, связанная белками.

Электреты практически используются как элементы технических устройств и механизмов, в частности, как элементы микрофонов, пьезо-датчиков, ячеек памяти, вольтметров, дозиметров ионизирующей радиации, генераторов электрического поля, миниатюрных моторов, в аэрозольных фильтрах и других технических изделиях. [ 25 ]

Наряду с выявлением новых направлений практического использования электретов дальнейшее изучение проблемы электретного состояния вещества имеет фундаментальное значение для познания физико-химического механизмов генерации электретного поля, посредством которого белковые молекулы осуществляют процессы жизнедеятельности. На важность изучения этого аспекта проблемы еще в 70-е годы минувшего столетия обратили внимание С.Маскаренас и Г.Сесслер. [ 26, 27 ]

Очевидно, что молекулярный механизма генерации электретного поля может быть разработан, основываясь на молекулярной теории электретного состояния структурированной воды. В связи с этим ниже излагается описание одной из возможных молекулярных теорий электретов, которая названа ионной теорией.

1.           ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДНЫХ КЛАСТЕРОВ

Из предыдущего раздела следует, что субстратом, отвественным за электретное состояние вещества является связанная в нем структурированная вода. Структурированная вода состоит из водных кластеров и жидкой (свободной) воды. Электретное состояние образуется в твердом либо жидкокристаллическом вещества. Из этого следует, что в структурированной воде субстратом, ответственным за ее электретное состояние, являются водные кластеры, представляющие собой жидкокристаллические полупроводники.

Водные кластеры – это ассоциаты молекул воды, которые самопроизвольно формируются благодаря межмолекулярным взаимодействиям: диполь-дипольному взаимодействию, ориентационной поляризации и водородным связям. Процесс формирования водных кластеров ускоряется при действии слабых электрических и магнитных полей, инфракрасного и лазерного излучения и вследствие межмолекулярного взаимодействия молекул воды с поверхностью твердых минералов, полимеров и биополимеров. [ 28 ] Количество молекул в водных кластерах значительно различается. В нанокластерах количество молекул клеблется от двух молекл до нескольких сотен, а гигантские кластеры достигают размера 30 мкм. [ 29 ] Механическая и термическая устойчивость водных кластеров возрастает с увеличением в них количества молекул, а диэлектрическая проницаемость имеет максимум у кластера, которий содержит 50 молекул. [ 30 ] Водным кластеры присуще жидкокристаллическое состояние и удельное электрическое сопротивление порядка 10⁸Ом^.см, т.е. они являются жидкокристаллическими полупроводниками. [31,32] Водородный показатель (рН) кластера находится в пределах 5 – 7,5.

Характерная особенность водных кластеров – это их большие электрические дипольные моменты, достигающие величин порядка нескольких десятков дебаев ( Д ). [ 33 ] Такие дипольные моменты образуются благодаря суммированию величин электрических диполных моментов воды (1,85 Д).

Величина и направление суммарного электрического дипольного момента кластера зависит от соотношения в нем молекул воды с право- и с левосторонней ориентацией векторов их дипльных моментов в прямоугольной системе координат. В кластере с преобладанием молекул с правосторонней ориентацией векторов дипольных моментов вектор его суммарного дипольного момента будет ориентирован в правую сторону, а в кластере с преобладаним молекул с левосторонней ориентацией векторов дипольных моментов его суммарноый дипольный момента будет ориентирован в левую сторону. Далее эти кластеры соответственно будут называться право – и левосторонними.

Благодаря электрической анизотропии, т.е. электрической поляризации, водным кластерам присуще электрическое поле дипольной конфигурации. Вследствие этого в жидкой компоненте структурированной воды они совершают повороты во внешних электрических и магнитных полях как единое целое и заннимают положение, при котором направление вектора напряженности их поля устанавливается параллельно вектору напряженности действующего на них внешнего поля.

Таким образом, водные кластеры представлчют собой жидкокристаллические полупроводники, обладающие естественной электрической поляризацией, т.е. им присущи условия, необходимые для образования в них электретного состояния.

Электретному состоянию вещества свойственна долговременная генерация сравнительно сильного электростатического поля, которая является его характерным признаком. Согласно законам электродинамики такое поле создают неподвижные (покоящиеся) электрические заряды. Носителями этих зарядов в водных кластерах являются ион-молекулярные комплексы (ИМ-комлексы), состоящие из иона водорода (Н⁺) и молекулы воды (Н₂О) и называемые ионом гидроксония, а также ИМ-комплексы, состоящие из иона гидроксила (НО^-) и молекулы воды, называемые гидроксид-ионом. ИМ- комплексы, или комплексные ионы, -- это ассоциаты иона и молекулы воды: Н^+. Н₂О ( ион гидроксония) , НО^--. Н₂О ( гидроксид-ион).

Комплексные ионы образуются в воде в результате диссоциации ее молекул на ионы водорода и гидроксила. [ 36 ] Это происходит в результате разрыва в молекуле воды связи между водородом и гидроксилом. Величина энергии этой связи равна 4,8 эВ. Следовательно, этот разрыв происходит при поглощении молекулой воды кванта, энергия которого равна 4,8 и более эВ. (Далее такие кванты будут называться большими квантами) Кванты такой величины образуются в результате флуктуаций тепловой и других видов энергии, а также содержатся в околоземном радиационом фоне. [ 37 ]

При поглощении водяной молекулой большого кванта наряду с разрывом в ней связи водорода с гидоксилом происходит образование свободных ионов водорода и гидроксила. Этот процесс называют диссоциацией воды. [ 38 ] Ионы, образовавшиеся вследствие диссоциации и полчившие при этом энергию, которая преобразовалась в кинетическую, смещаются вдоль вектора напряженности электического поля кластера в противоположнве стороны. При смещении они сближаются со стационарно рсположенными молекулами кластера и вследствии взаимодействия с ними образуются упомянутые выше ИМ-комплексы. При этом образовавшийся ион гидроксония обретает стационарное расположение благодаря связи со стационарно расположенной молекулой кластера. Аналогично сближение иона гидроксила со стационарно расположенной молекулой кластера завершается образованием стационарно расположенного гидроксид-иона. При этом устойчивость стационарного положения гидроксид-иона больше, чем иона гидроксония, так как наряду с устойчивостью за счет устойчивости молекулы воды, с которой он связан, его устойчивость повышена за счет его водордных связей с окружающими молекулами кластера. ( Размер иона гидроксония равен примерно размеру молекулы воды, а размер гидроксид-иона примерно равен размеру двух молекул воды )

Длительность времени образования иона гидроксония составляет величину порядка 10^--13с. [ 40 ] Можно допустить, что время обазования гидроксид-иона такого же порядка как и иона гидроксония. За это время ионы Н⁺ и НО^-- предположительно смещаются друг от друга на расстояние, равное двум – трем размерам молекулы воды. На этом расстоянии друг от друга они, как описано выше, взаимодействуют со стационарно расположенными молекулами кластера и вследствие этого образуется в ион гироксония (Н^{+ .} Н₂О) и в гидроксид-ион (НО^--. Н₂О). Эта пара разноименных комплексных ионов представляет собой электрический диполь, на полюсах которого находятся разноименные элементарные электрические заряды с количеством электричества, равным 1,6^.10^–19Кл/см². Такое количество электричества создвет на рассотоянии 0,1 нм электростатическое поле, напряженность которого равна 10⁹В/м. [ 40 ]

          Описанный электрический диполь отличается от электрического диполя полярных молекул очень большим количеством электричества на полюсах и наличием между ними взаимного притяжения, которое присуще разноменным электрическим зарядам. Учитывая это, диполь ион гидроксония -- гидроксид-ион можно назвать водным квазидиполем (далее квазидиполь).

Квазидиполь, находясь в стационарном состоянии в водном кластере, генерирует постоянное электрическое поле дипольной конфигурации до тех пор пока составляющие его ион гидроксония и гидроксид-ион удерживаются водордными связями в стационарном положении. При разрыве этих сязей у иона гидроксния либо у гидроксид-иона один из них движется к другому вследствие электростатического приятяжения. Более вероятно притяжение иона гидроксония к гидросид-иону, так как у иона гироксния меньше удерживающих его водородных связей, чем у гидроксид-иона, а для высвобождения иона необходим разрыв всех связей. При достаточном сближении рассматриваемых ионов происходит их рекомбинация вследствие перехода электрона от гидроксид–иона к иону гидроксония. В результате рекомбинации ион водорода соединяется с ионом гидроксила и образуется молекула воды. При этом высвобождаются две молекулы воды, ассоциативно связаые с этими ионами. Следовательно, при рекомбинации иона гидроксония и гидроксид-иона образуется три молекулы воды ( Н^{+ .} Н₂О + НО^{-- .} Н₂О = Н₂О { Н⁺ + НО^--} и 2 Н₂О ). Этот процесс называют моленизацией.

Энергия водородной связи имеет величину, равную 0,2 эВ. Кванты такой величины (далее малые кванты) обазуются в результате телового движения и их количество возрастает с повышением температуры.

Таким образом, в водном кластере в процессе диссоциации воды непрерывно идут процессы образования квазидиполей и их уничтожение. От сотношения интенсивности этих процессов зависит как величина напряженности электростатического поля, так и длительность его генерации. Это соотношение в свою очередь зависит от количественного соотношения поступления к молекулам кластера больших и малых квантов энергии. При некотором преобладании больших квантов водный кластер непрерывно будет генерировать электростатическое поле, т.е. ему свойственно характерное проявление электретного состояния вещества. Это позволяет назвать водный кластер наноэлектретом.

Благодаря сильному внутреннему электрическому полю наноэлектретамам свойственно твердотельное состояние, а благодаря дальнодействию этого поля наноэлектреты спосбны создавать макроассоциаты, обладающие сильным электрическим полем. Эти ассоциаты можно называть гидроэлектретами.

Ведущая роль в механизме генерации электрического поля как нанокластерами, так и гидроэлектретами прнадлежит ионам. Учитывая это, разработанная теория может быть названа ионной теорией электретного состояния воды.

В становлении центральной идеи ионной теории электретов важное содействие оказал Анатолий Иосифович Кулак и ценную помощь в работе над теорией мне систематически оказывала моя дочь Анна Кулина-Пейт, которым я выражаю глубокую благодарность.

Евгений Кулин

Хейвард, США                                          Кулин Евгений Трофимович

03.12.2014                   Электронный адрес: E.T.KULIN@gmail.com