Конференция "Физика водных растворов" подтвердила свою состоятельность

В ноябре в Президиуме Российской академии наук состоялась шестая конференция "Физика водных растворов". В мероприятии приняли участие 200 ученых из 8 стран. В течение трех дней с докладами выступили 126 исследователей.

По сравнению с предыдущей конференцией, проходившей в 2022 году, количество участников увеличилось в полтора раза, и к пяти существующим секциям добавилась еще одна: "Водные растворы в фармации". "РГ" взяла интервью у академика РАН Ивана Щербакова - советского и российского физика, советника Президиума РАН, научного руководителя Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, профессора, заведующего кафедрой лазерных систем и структурированных материалов Московского физико-технического института.

Иван Александрович, конференция, посвященная исследованиям водных растворов, стала неотъемлемой частью отечественной научной жизни. Можно ли уже подводить предварительные итоги и делать выводы о главных тенденциях развития физики воды?

Иван Щербаков: Прежде всего, хочу напомнить, что конференция стала логичным продолжением семинара, организованного в 2017 году в Институте общей физики им. А.М. Прохорова и посвященного достаточно узкому вопросу: выяснению физики процессов многократного разведения водных растворов. С докладом на том семинаре выступил академик Александр Коновалов, который попытался объяснить влияние исчезающе малых концентраций на свойство разбавляемого раствора. Его выступление вызвало справедливую, но одновременно совершенно неконструктивную критику со стороны участвовавших в семинаре физиков. Тем не менее, большая заслуга Александра Ивановича состоит в том, что он сформулировал проблему и получил большое количество экспериментального материала по этой теме.

После этого семинара в Институте общей физики была создана неформальная группа, которая начала заниматься физикой водных растворов, по инициативе которой и при поддержке Института и Отделения физических наук РАН в 2018 году была организована уже ставшая ежегодной конференция "Физика водных растворов".

Шесть лет, безусловно, солидный срок, чтобы подвести некоторые итоги работы. Было установлено, что при достижении некоторого числа разбавлений концентрация примеси в разбавленном растворе перестает снижаться, оставаясь равной концентрации примесей в растворителе. Возможность обнаружения этого критического числа разбавлений определяется чувствительностью метода регистрации. Сейчас этот вывод уже кажется вполне очевидным.

Далее было выявлено влияние внешних воздействий на состояние водного раствора. Дело в том, что процедура разбавлений сопровождается внешним воздействиям на раствор, такими, например, как вибрация или магнитное поле. При этом происходит увеличение концентрации активных форм кислорода и, в частности, пероксида водорода. Все эти компоненты, определяющие неравновесность системы, являются сильными окислителями и могут оказывать значительное влияние на биологические объекты. В результате была в значительной степени снята острота проблемы высоких разбавлений, а термин "сверхвысокие разбавления" был заменен на "технологическую обработку", заключающуюся в ряде последовательных разбавлений, сопровождающихся внешними воздействиями.

Термин "технологическая обработка" соответствует действительному положению вещей, а сама технология является полезной для достижения заданных свойств исследуемых объектов и находит свое практическое применение.

Технологическая обработка водных растворов давно применяется в фармацевтике

В той же фармацевтике технологическая обработка растворов применяется уже достаточно давно. В рамках секции "Водные растворы в фармации" кандидат биологических наук, сотрудник научно-производственной фирмы "Материа Медика Холдинг" Герман Степанов сделал доклад на тему "Влияние вибрационного воздействия на свойства водных растворов антител". В ходе исследований ученый подтвердил вывод о том, что биологическая активность растворов высоких разведений зависит не от содержания в них исчезающе малого количества растворенного вещества, а от изменения физических свойств в ходе вибрационного воздействия на них.

Участниками конференций также было четко сформулировано, что воды, как совокупности молекул Н2О, в природе не существует. Это водный раствор, представляющий собой сложную неравновесную динамическую систему, находящуюся в постоянном взаимодействии с окружающей средой. Это утверждение родилось не на пустом месте, но в таком явном виде оно было сформулировано именно на наших конференциях. Наконец, существенно положительным результатом следует считать объединение под эгидой конференции специалистов в области физики, химии, биологии, медицины, фармацевтики, что, безусловно, способствует в продвижении понимания природы жидкости и ее влиянии на процессы, проходящие в живой и неживой природе.

Есть ли с точки зрения физики различия между водой в космосе, океане и в кране в квартире?

Иван Щербаков: Несмотря на колоссальное различие масштабов этих объектов, вода, присутствующая в них, является некоторым объединяющим фактором. Академик Роберт Нигматулин сделал на конференции пленарный доклад "Механика и термодинамика климата". Он отметил, что происходящее последние десятилетия глобальное потепление инициируется увеличением содержания парниковых газов. Потепление вызывает увеличение испарения с поверхности океана и увеличение содержания водяного пара, который является "сильным" парниковым газом. Это существенно усиливает поглощение радиации, что приводит к повышению температуры воздуха. Вся испарившаяся влага возвращается на поверхность Земли в виде дождя и снега. При этом увеличивается частота катастрофических снегопадов и наводнений.

А что такое океан, как не колоссальный резервуар водного раствора, и в чем состоит отличие процессов испарения с водной поверхности океана от процессов испарения из лабораторной емкости, которые легко промоделировать? Различного рода внешние воздействия на океанскую воду изменяют состав последней, что влияет на ее биологические свойства и, следовательно, на состояние обитателей океана. Гребные винты океанских судов приводят к образованию пузырей и их кавитации, что вызывает разрушение металлических конструкций. Эти процессы также могут быть промоделированы и изучены в лаборатории. Подобных точек соприкосновения ученых разных специальностей можно найти множество.

В докладе академика Льва Зеленого, профессора РАН Максима Литвака и профессора Игоря Митрофанова было отмечено, что вода в Солнечной системе встречается гораздо чаще, чем представлялось раньше. Оказалось, что не просто водород, а его соединение с кислородом является одной из весьма распространенных молекул в ближнем к нам космосе. Тем не менее, иных форм жизни, кроме земной, пока не обнаружено, хотя и доказано, что жидкая вода иногда появляется на поверхности Марса. В последние годы большое значение приобрело открытие водяного льда в приповерхностном слое вблизи лунных полюсов. Возможно, что в лунной полярной вечной мерзлоте скрываются космические зародыши примитивной жизни, которые за 4 миллиарда лет существования двойной планетной системы Земля - Луна могли занести межзвездные кометы. Таким образом, не исключено, что водные растворы могут иметь прямое отношение к возникновению жизни на нашей планете.

В своем докладе академик Юрий Рахманин сообщил об исследовании нескольких десятков типов питьевой воды, подвергнутых разным физическим методам воздействия, результатом которого был расчет соотношения коэффициентов трансформации полос валентных, деформационных и вибрационных колебаний воды и их изменение под воздействием этих факторов. Таким образом, на основе проведенных исследований впервые дана предварительная оценка качества питьевой воды, которое самым непосредственным образом влияет на продолжительность жизни населения планеты.

В пленарном докладе "Структурирование водных и не водных растворов: данные физических методов и результатов химических реакций", сделанном Леонидом Кононовым, представлены данные по изучению структуры водных растворов с помощью светорассеяния, поляриметрии, ИК-спектроскопии и химических реакций. Химическая реакция, проводимая в растворе, является инструментом изучения структуры этого раствора. И, наоборот, для корректного обсуждения реакционной способности и результатов химических реакций необходимо учитывать не только строение молекул реагентов, но и структуру реакционного раствора, моделирование которой позволяет реализовать инструмент влияния на результаты реакций.

Водные растворы могут иметь прямое отношение к возникновению жизни на нашей планете

Так, принципиальная важность влияния внешних воздействий на свойства растворов была отмечена во многих докладах. Среди теоретических результатов следует отметить доклад группы ученых из Института общей физики, в котором обсуждаются механизмы взаимодействия возмущений классической природы с квантовой системой. В рамках осцилляторных моделей продемонстрирована возможность изменений состояния квантовой системы в результате механических возмущений. Результат интересен с общефизической точки зрения, а применительно к водным растворам может объяснить эффект генерации пероксида водорода при вибрационном воздействии за счет снятия квантового запрета с перехода из триплетного состояния в синглетное молекул кислорода.

В докладе Ангелины Козаченко показано, что механическое или магнитное воздействие на водный раствор приводит к образованию в нем кластерных систем, и представлен обзор по работам физиков-теоретиков, объясняющих эффекты высокоразбавленных растворов. Эти работы в какой-то степени дают теоретическое обоснование с точки зрения квантовой механики и термодинамики эффектам в растворах, полученных в рамках метода технологической обработки.

Были ли представлены на конференции вопросы прикладного характера?

Иван Щербаков: Да, были, и в качестве примера можно привести совместную разработку российских и узбекских ученых в области использования плазмо-активированных водных растворов электролитов для улучшения роста и развития растений, в частности для улучшения роста и развития хлопчатника в условиях засухи, что уже дает практические результаты.

Очень важно, что конференция с самого начала стала пространством для плодотворного диалога между учеными, которые занимаются исследованиями в различных областях. В результате такого взаимодействия появляются технологии, призванные улучшить нашу жизнь.