Презентация на тему «Квантовая природа детерминированных температур особых точек воды (-23, -6, 4, 20, 37….0с) и льда (-140, -80, -40 ……0с): орто-пара состояния спин-изомеров н2о как бит информации (1-0)»

S. Pershin, Wave Research Center, Prokhorov General Physics Institute,

Russian Academy of Sciences, 38 Vavilov Street, Moscow 119991, Russia pershin@orc.ru

Квантовая природа детерминированных температур особых точек воды (-23, -6, 4, 20, 37….0с) и льда (-140, -80, -40 ……0с): орто-пара состояния спин-изомеров н2о как бит информации (1-0)

Содержание

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ: РЕЗОНАНС ЭНЕРГИИ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ КВАНТОВ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ОКРЕСТНОСТИ ОСОБЫХ ТОЧЕК ВОДА КАК НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ: ПРОСТЕЙШАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕСТРОЙКИ СТРУКТУРЫ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ- ТЕМПЕРАТУРНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛОСЫ ОН-колебаний: ЛАЗЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПЕРСПЕКТИВА

Базис

На основе полученных нами новых экспериментальных данных обосновано, что значения особых точек воды и льда на шкале температур не являются случайными, а имеют квантовую природу. Установлено совпадение энергии вращательных квантов (h?) орто-пара спин-изомеров молекул Н2О с их транcляционной энергией (kT) в окрестности температур экстремумов термодинамических параметров воды и льда. Методом нелинейной четырехфотонной спектроскопии молекулярных движений в объемной воде в тера- и субтерагерцовом (СВЧ) диапазонах обнаружены узкие линии, которые соотнесены с вращательными резонансами орто-пара изомеров молекул Н2О. Рассмотрена аналогия с периодическим законом Менделеева Д.И.: есть дублет орто-пара резонансов – должна быть особая точка; есть особая точка - должен быть дублет орто-пара линий Н2О.

Вода как носитель информации

Известно, что изменение структуры водородо-связынных комплексов в воде проявляется в изменении оптических спектров. Простейший пример – измерение температуры воды лазером без контакта с ней по деформации ОН-полосы. Перспектива – управление орто-пара конверсией спин-изомеров Н2О. Наблюдаемые спектры орто-пара молекул Н2О в воде и квантово-механический запрет на спонтанную конверсию спин-изомеров, который снимается в неоднородном (градиентном) магнитном поле, дают основание рассматривать переключение орто- (полный магнитный момент J=1) и пара- (J=0) состояний как бит информации 0-1. Принимая во внимание, что в области особых точек значение термодинамического параметра воды достигает экстремума, можно утверждать, что переход системы через экстремум сопровождается специфической перестройкой структурной сетки водородных связей. Например, скорость звука максимальна при температуре 76 0С, а не при температуре максимальной плотности воды (4 0С). Поскольку энергия kT в области особых температур совпадает с энергией вращательных квантов (h?) близко расположенных резонансов орто-пара спин-изомеров молекул Н2О, то следует ожидать, что изменение структуры сетки водородных связей при переходе через экстремум обусловлено конверсией орто-пара состояний молекул Н2О.

Першин С.М. Препринт ИКИ РАН № 1976, 1997

Бункин А.Ф., Першин С.М. Патент России, № 98 103249, 1998. Pershin S.M. and Bunkin A.F. Opt. Spectrosc. 85(2), 190 (1998). Bunkin A.F., Nurmatov A.A., Pershin S.M., and Vigasin A.A. J. Ram. Spectrosc. 2005, 36, 145-147 S. Pershin, Two Liquid Water, Physics of Wave Phenomena, 2005, v.13(4), p.192-208. А.Ф.Бункин, А.А.Нурматов, С.М.Першин «Когерентная четырехфотонная спектроскопия низкочастотных либраций молекул в жидкости» УФН, 176, 883-889 (2006). S.M.Pershin, Harmonic oscillations of the concentration of H-bond in liquid water, Laser Physics, 2006, v.16(7), p.1-7. S.M.Pershin, Coincidence of Rotational Energy of H2O Ortho-Para Molecules and Translation Energy near Specific Temperatures in Water and Ice, Phys. of Wave Phenomena, 2008, 16(1), 15-25

Точки кипения/расплава гомологов воды

~ (-80 0C)

Кипение

Para-

Ortho-

Ortho:Para isomer ratio 3:1 in water vapor

Shape and Charge Distribution of H2O Molecule.

isomer

isomer

Димер молекул воды

~ 0 cm-1

Спектроскопия четырехфотонного рассеяния

Experimental Setup

E laser, t laser Is signal

Селективное обогащение воды орто-изомерами в растворе белков

A.F. Bunkin, A.A. Nurmatov, S.M. Pershin, Four-photon spectroscopy of ortho/para spin-isomer H2O molecule in liquid water in sub-millimeter range, Laser Phys. Lett. 16, 468, (2006);

Пара-орто конверсия формальдегида?

Значения особых температурных точек льда и воды случайны

??

Лед

Вода

-1370

kT

-1330

-740

-450

-230

-60

-1230

500

600

760

40

190

360

Совпадение энергии kT и энергии h

вращения орто/пара изомеров в области критических температур

Область +4 – +40 0С

S.M.Pershin, Phys. of Wave Phenomena, 2008, 16(1), 15-25

Орто/пара переходы и Т/0С особых точек Н2О

K / 0C

(kT), cm-1

(h?mn), cm-1

Ortho, para переходы

Specific points

136/-137 (1)

~96

96,06731 96,2092 96,23129

Amorphous ice

140/-133 (2)

~99

99,0268 99,0952

Glass transition

150/-123 (3)

~105

44.1 - 43.2 62.5 - 61.6 51.5 - 40.4

Ultraviscous water

199/-74 (4)

~139

63.4 - 62.5 61.5 - 60.6 64.2 - 63.3

22.0 – 11.1 51.4 – 42.3

105,590 105,659 104,572

138,991 138,826 139,7

70.7 - 61.6 81.7 - 80.8 71.7 - 60.6

Crystallization of quasi-liquid layer on the ice surface

Орто/пара переходы и Т/0С особых точек Н2О

226/-47 (5)

~158

157,9191 157,5845

81.8 - 70.7 80.8 - 71.7

249/-24 (6)

~176

176,00571 176,14636

90.9 – 81.8 91.9 – 80.8

277/4 (7)

~194

194,3816 194,32226

101.10– 90.9 100.10– 91.9

maximum density

292/19 (8)

~203

202,68913202,91484

44.1 - 33.0 44.0 - 33.1

Shear viscosity anomaly

Singular temperature, homogeneous nucleation

changing of self-diffusion and viscosity

309/36 (9)

~215

212,56009212,58538212,63271214,55447

110.11–101.10 111.11–100.10 101.9– 92.8 102.9– 91.8

minimum of specific heat of capacity

323/50 (10)

~226

227,02306 226,27193

74.3 - 71.6 54.2 - 43.1

minimum of isothermal compressibility

333/60 (11)

~232

230,73777 230,72682

121.12–110.11 120.12–111.11

minimum of shift strength

347/76 (12)

~243

245,34018 245,75524

63.3 - 52.4 43.2 - 30.3

maximum of sound velocity

Y.R. Shen, 2001

Другие примеры Аналогия с периодическим законом Менделеева Д.И. : есть

дублет орто-пара резонансов – должна быть особая точка; есть особая точка - должен быть дублет орто-пара линий Н2О. вода в почве, глине тяжелая вода лед

Н.Маэно «Наука о льде», М.«Мир», 1988г

Maeno N, Nishimura H. J. Glaciology, 21(85), 193 (1978)

Орто-Н2О в квази-жидком слое льда ( 1Н ЯМР льда с тефлоновыми

шариками)

МГУ, В.И. Квливидзе и др. (Surf. Sci. 44, 60 (1974))

Эволюция СР льда; Хайда и др

1972г.

хранение 624 часа при -184 0С

хранение 71 часа при -179 0С

-10 0C/min

0K

Быстрое охлаждение

Эволюция Ср льда

«Свободное» вращение Н2О в воде орто-пара изомеры Н2О в воде

!!!

Селективность: обогащение орто-изомера; подавление пара-изомера в растворе белка

A.F. Bunkin, A.A. Nurmatov, S.M. Pershin, Four-photon spectroscopy of ortho/para spin-isomer H2O molecule in liquid water in sub-millimeter range, Laser Phys. Lett. 16, 468, (2006);

Измерение протонной плотности К-воды 15 февраля 2008г

на МРТ «Bruker» МГУ

Обогащение К-воды Орто-Н2О

15.02.08

К-вода от 16.11.07 не облученная

Д-вода

Тяжелая вода D2O

The two specific temperatures have been used:

133 K/ –140 0C

~92 o см-1 p

96.243 см-1 93.634 см-1 89.672 см-1 87.664 см-1

43.1 – 32.2 43.2 – 32.1 42.2 – 31.3 42.3 – 30.3

maximum of specific heat capacity and glass transition

284 K / 11.2 0C

~198 см-1

199.23 см-1 194.88 см-1

44.0 – 31.3 44.1 – 30.3

maximum of density

Выводы (1)

Значения температур особых точек Ts воды и льда не случайны, а детерминированы резонансным совпадением величины энергии вращательных квантов дублетов орто-пара переходов h?mn с тепловой энергией kTs h?mn ? kTs Рассмотрена аналогия с периодическим законом Менделеева Д.И.

ВОДА КАК НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ: ПРОСТЕЙШАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕСТРОЙКИ

СТРУКТУРЫ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ- ТЕМПЕРАТУРНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛОСЫ ОН-колебаний: ЛАЗЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПЕРСПЕКТИВА

Как это проявляется в спектре КР

Модель двухкомпонентной воды

H.S. Frank and M.W. Evans, J. Chem. Phys. 13, 507 (1945)

В 1945 Франк и Эванс предложили модель жидкой воды с присутствием структур типа «айсбергов льда» (“iceberg model”)

Канонический вид ОН полосы воды

Базовые предпосылки 2-жидкостной модели

Смещение центра ОН полосы КР: A.F. Bunkin, and S.M. Pershin, Phys. of Vibrations 61, 158-164 (1997); S.M. Pershin, and A.F. Bunkin, Opt. Spectrosc. 85, 209-412 (1998); Структура ОН полосы : A.F. Bunkin, N.I. Koroteev et al. CARS of liquid water Г.В. Юхневич, В.В.Волков, ДАН, т.353, 465, (1997) Вращение молекул Н2О в воде: орто/пара A.F. Bunkin, A.A. Nurmatov, S.M. Pershin, Four-photon spectroscopy of ortho/para spin-isomer H2O molecule in liquid water in sub-millimeter range, Laser Phys. Lett. 16, 468, (2006);

Структура ОН полосы 3400 см-1 КР в воде:

Модуляция огибающей ОН полосы S.M. Pershin, Opt. Spectrosc. 95, 628 (2003); 96, 885(2004); 98, 543-554 (2005). Колебания центра ОН полосы S.M. Pershin, Harmonic Oscillations of the Concentration of H-bonds in Liquid Water, Laser Physics 16, 1184-1190 (2006). Расщепление ОН полосы S.M. Pershin, Two liquids water, J. of Wave Phenomena, 192-198, (2006)

Experimental setup

~ 4m

Hare D

are D.E. and Sorensen C.M. J. Chem. Phys. 1992, 96(1), 13.

Pershin&Bunkin, Opt.&Spectr. 1998: ice T = 0?C (a), water ~0.5?C (b), and ~1.5?C (c).

Band width ~ 360 cm–1, consists of two partially overlapped lines is observed in the range from 2800 to 4200 cm–1. Band shifts to the high-frequency range vs temperature.

С.Першин Докт

Дисс. (1998), МГУ

А.Бункин, С.Першин, Phys. of Vibrations, (1997)

Бункин А.Ф., Першин С.М. Патент России, № 98 103249, 1998

А.Бункин, С.Першин, Phys. of Vibrations, (1997)

Таким образом, измеряя положение центра ОН полосы лазером, мы

считываем информацию о температуре воды без контакта с ней. Перспектива – считывание структурных форм воды и орто-пара отношения

«Свободное» вращение Н2О в воде орто-пара изомеры Н2О в воде

!!!

Селективность: обогащение орто-изомера; подавление пара-изомера в растворе белка

A.F. Bunkin, A.A. Nurmatov, S.M. Pershin, Four-photon spectroscopy of ortho/para spin-isomer H2O molecule in liquid water in sub-millimeter range, Laser Phys. Lett. 16, 468, (2006);

Используется в измерении температуры хвоста комет

П.Л.Чаповский и др. ЖЭТФ, т.129, 86 (2006)

В газе

ОН полоса жидкой воды в слабом оптическом поле

С. Першин, Phys. of Wave Phenomena, (2006)

Расщепление ОН полосы

Cпектры КР одного импульса: интервал 10 секунд

Два ансамбля молекул - две жидкости

?? 10 с между цугами:(а)- 7; (b)- 9 и (c)-10 импульсов

Доза облучения увеличивается

Состояния перемешиваются

ОН свободных молекул

Выборка (7 спектров и 8) из 100 спектров КР одиночных импульсов в воде

Спектр КР льда (усреднение 32 импульса)

ordered?

Disordered?

Колебания центра ОН полосы

«Перегрев»

«Переохлаждение»

Выводы (2-й части)

Вода может рассматриваться как смесь двух жидкостей и свободных молекул Обнаружены колебания гравитационного центра ОН полосы с периодом 35±10 с, отражающие неравновесный процесс взаимной конверсии состояния молекул воды в ансамблях (одной жидкости в другую) Сделано предположение, что структурные ансамбли молекул воды образованы орто- и пара- спин-изомерами и могут рассматриваться как структурные информационные состояния

Благодарность

Работа выполнялась при финансовой поддержке фондами грантов : РФФИ: 05-0-16020, ОФИ: 05-02-08311 Ведущих научных школ: 1553.2003 РАН: «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты»

Спасибо за внимание

Чаповский и др

ЖЭТФ, т.129, 86 (2006) Квантовая релаксация

Mechanism of nuclear spin initiated para-H2 to ortho-H2 conversion G

Buntkowsky,* H.-H. Limbach et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 8, 1929 (2006)

3-й спин

Температурный сдвиг центра ОН полосы

A.F. Bunkin, and S.M. Pershin, Phys. of Vibrations 61, 158-164 (1997);

Куриный белок - ЛИЗОЦИМ

A.B. Kudryavtsev, G. Christopher, C.D. Smith, S.M. Mirov, W.M. Rosenblum, L.J.DeLucas, The effect of ordering of internal water in thaumatin and lysozyme crystals as reveled by Raman method, J. of Cryst. Growth, 219, 102-114 (2000). (40-70) % воды в кристаллах белков; A.B. Kudryavtsev, S.M. Mirov, L.J.DeLucas, С. Nicolete, V.der Woerd, T.L. Bray, and T.T. Basiev, Polarized Raman Spectroscopic Studies of Tetragonal Lysozime Single Crystals, Acta Cryst. D54, 1216 (1998). Вода – структуро-образующий фактор: больше воды – совершеннее структура кристаллов

Температурная аномалия гиперзвука в кристалле лизоцима

А. Сванидзе, С.Лушников, S.Kojima, Письма в ЖЭТФ, 84(10), 646, (2006)

Температурная аномалия гиперзвука в кристалле лизоцима

Comparison of Raman band center & width

Lyzosyme crystal growth in PENTA water

in PENTA water

in distilled water

White hen-egg Lysozyme Crystals

Penta Water

Distilled Water

Dynamics of Dissolving Calcium Oxalate Monohydrate Crystal in Penta

Water

10 mm

6 49 121 min

Atomic force microscopy Water flow is 125 ml/min through the flow-cell (V=25 mm3)

Dr.Rashkovich, Moscow University, Departments of Physics, November 2002

Crystal growth in PENTA water

KDP crystal grown in PENTA water (left) and in distilled water (right)

Dr. A.Dyakov, Moscow State University, 2002

r = 0.4 mm

SIMPLEST SURFACE TENSION EXPERIMENT

h = ( 2? cos? )/( r? g )

PentaTM Water

Unprocessed Water