Как вода бросает вызов гравитации: Секреты капиллярного эффекта!

Вода — самое распространенное вещество на планете, нет ни одного человека, не знающего о ней, она проста, понятна и не таит в себе никаких загадок. Но так ли это на самом деле?

Более 70 лет назад Нобелевский лауреат Альберт Сент-Дьерди сказал, что «биология забыла о воде или совсем не думала о ней». Он призывал коллег заняться более глубоким изучением этого удивительного вещества. Убеждение в том, что вода понятна, и исследовать в ней нечего, мешает прогрессу во многих областях деятельности человека.

Одним из ученых, проявивших глубокий интерес к свойствам воды, стал Джеральд Поллак. Профессор Вашингтонского университета, специалист в области биохимии и биофизики, много лет он занимался изучением воды, сотрудничал со специалистами в этой области из разных стран мира, в том числе и с советскими и российскими коллегами.

За время своей деятельности он опубликовал несколько работ, посвященных воде. Самой большой публикацией стала книга «Четвертая фаза воды», в которой он систематизировал весь круг своих исследовательских интересов.

Книга предназначена для широкого круга читателей, в ней простым и понятным языком изложены все вопросы, с которыми ему пришлось столкнуться в своей исследовательской работе. Его главным принципом было никогда не отвергать даже самое невероятное предположение, а всесторонне исследовать его.

Он не питает иллюзий по поводу того, что все его идеи лягут в основу новой теории о воде. Вероятно, многие останутся всего лишь рассуждениями. Его цель — понять природу воды, а этого можно достичь только в том случае, если не бояться даже самых смелых предположений.

Огромную благодарность за помощь в написании книги он выражает Гилберту Лингу, чей объемный труд побудил Поллака проявить интерес к воде, а также доктору биологических наук, профессору Московского государственного университета Владимиру Воейкову, чья потрясающая эрудиция и глубокие специальные знания стали неоценимым вкладом в работу над книгой.

Одна из глав посвящена исследованию капиллярного эффекта. Автор рассматривает довольно привычное явление с необычной точки зрения. Об этом мы и расскажем в нашей статье.

Наверняка каждый человек хотя бы раз в жизни проводил опыт, подтверждающий наличие капиллярного эффекта в природе. Нет? А как же мокрый пакетик чая на бумажной салфетке, которая намокает почти полностью за считанные секунд? Возможно, кто-то пошел еще дальше и приложил пакетик к салфетке, подвешенной вертикально, и наблюдал, что она тоже намокает. Правда, не так быстро. Это и есть капиллярный эффект.

Конечно, этот опыт нельзя считать сколько-нибудь серьезным экспериментом. Для лабораторных испытаний используют специальные установки, состоящие из тонких трубок, называемых для удобства «капиллярами». Кварцевую капиллярную трубку вставляют вертикально в емкость с водой. Очень быстро вода внутри трубки поднимается до уровня, находящегося выше уровня воды в емкости. Кажется, что вода бросает вызов самой гравитации!

Из курса школы многие помнят классическое объяснение этого эффекта, которое гласит, что направленная вверх сила поверхностного натяжения мениска (искривление свободной поверхности жидкости, в капиллярах имеет сферическую форму) уравновешивает вес водяного столба внизу. Предполагается, что столб воды висит, не взаимодействуя с окружающей его внутренней поверхностью трубки.

Однако, многолетний опыт исследования свойств воды позволяет Джеральду Поллаку утверждать, что гидрофильные стенки капиллярных трубок сильно взаимодействуют с водой. Следовательно, классическое объяснение нельзя принимать как полностью верное, хотя оно достаточно простое и удобное.

Классическая теория не дает ответ на главный вопрос: почему поднимается столб жидкости? Остается непонятной движущая сила этого явления.

Чтобы разобраться с направленной вверх капиллярной силой, имеет смысл обратиться к функциональной анатомии воды. Известно, что прямо под поверхностью воды находится мозаичное сцепление везикул (очень маленьких пузырьков).

Эта мозаика обладает отрицательным электрическим зарядом. Вполне вероятно предположение о том, что капиллярная сила основана на взаимодействии зарядов: либо тянущая сверху, либо толкающая снизу. А может имеют место и оба варианта.

Сначала Джеральд Поллак предлагает рассмотреть участок капиллярной трубки, расположенный выше уровня воды в емкости. Он говорит, что если бы слои исключающей зоны (слой воды, расположенный рядом с гидрофильной поверхностью, и в силу своих свойств не имеющий в себе частиц растворенных в воде веществ, то есть исключивший их) выстилали внутреннюю стенку трубки, то эти слои могли бы образовывать протоны, направленные к сердцевине трубки. Тогда положительные заряды этих протонов могли бы способствовать движению вверх отрицательно заряженных везикул.

Стенки трубки, повергающейся воздействию воздуха, должны иметь хотя бы несколько слоев исключающей зоны. Все гидрофильные поверхности притягивают влагу из воздуха. Чем выше гидрофильность вещества, тем больше атмосферной влаги оно впитывает.

Влага поступает из воздуха в виде везикул. Они адсорбируются как на внутренней, так и на внешней поверхности гидрофильной трубки. Даже при наличии небольшого количества протонов на внутренней поверхности трубки, Положительный заряд должен присутствовать. Тогда стенки могут начать вытягивать вверх поверхностные везикулы.

Как только это восходящее притяжение начнется, сила должна увеличиться. По мере того, как поднимающиеся везикулы цепляются за протоны внутренних стенок, образуется еще больше положительных зарядов. Последние еще больше увеличивают силу притяжения, подтягивая еще больше везикул, которые создают еще больше положительных зарядов, и так далее.

Как только вода поднимется до уровня, когда нисходящая сила тяжести уравновешивает восходящие капиллярные силы, процесс завершается. Это довольно сложное явление со стороны выглядит так, будто вода поднимается сама по себе.

Следует также отметить, что положительно заряженный электрод, расположенный над водой, можно рассматривать как усилитель испарения. Поэтому принцип подтягивания капиллярного столба кажется вполне обоснованным.

При этом, росту столба способствует и подталкивание, которое исходит от положительных зарядов внизу. Рассмотрим участок трубы, находящийся ниже поверхности воды. Погруженная в воду гидрофильная капиллярная трубка почти сразу образует исключающие зоны внутри и снаружи.

Из-за наличия ограничивающих стенок внутри должна возникнуть высокая концентрация ионов гидроксония, которые будут прилипать к любым отрицательно заряженным участкам: к зоне исключения и к мозаике везикул. Эти два близко расположенных и значительных кластера положительного заряда будут взаимно отталкиваться, создавая силу, толкающую воду вверх.

Очевидно, что капиллярная сила имеет двойственную природу. Электростатическая сила сверху вызывает вытягивание, а электростатическая сила снизу вызывает подталкивание. Обе силы исходят от положительных зарядов, которые возникают в исключающей зоне капилляра.

Джеральд Поллак упоминает в своей книге о том, что еще Исаак Ньютон высказал мысль, что капиллярный эффект может иметь электрическое происхождение. Его давно забытая точка зрения теперь вполне актуальна. Если эта теория верна, представляется возможным сделать ряд интересных предположений.

В трубках большого диаметра значительный подъем должен быть заметен только у стенки тем, что он образует краевой мениск. Остальная поверхность воды остается ровной. В узких же трубках подъем воды наблюдается по всему поперечному сечению. И это действительно подтверждается лабораторными опытами: краевые мениски присутствуют в трубках любого диаметра, однако подъем на всю толщину столба наблюдается только в очень тонких трубках.

Подъем прекращается, когда направленная вниз сила тяжести становится достаточно большой, чтобы уравновесить направленную вверх капиллярную силу. Эти две силы меняются следующим образом: сила, направленная вверх, возрастает с увеличением периметра капилляра, сила, направленная вниз, возрастает с увеличением поперечного сечения капилляра.

Чем уже трубка, тем меньше ее периметр и поперечное сечение, следовательно, тем меньше капиллярная сила. Таким образом, более узкие столбы воды должны подниматься выше из-за их меньшего веса. Это явление подтверждается в ходе обычных наблюдений.

Нагревание способствует испарению, более высокая скорость испарения вызывает более быстрый подъем воды. Очевидно, что это явление можно отнеси не к разряду предположений, а считать его доказанным фактом.

Этот механизм приводит к образованию высокой концентрации протонов в зоне, расположенной под поверхностной мозаикой. Известно, что протоны в высокой концентрации вырабатывают интенсивное инфракрасное излучение. Джеральд Поллак обнаружил это и в своих опытах с капиллярами: прямо под поверхностным мениском постоянно наблюдается сильное инфракрасное излучение.

Как мы уже сказали, все вышеупомянутые движущие силы берут начало из положительных зарядов, возникающих вследствие образования исключающей зоны. Гидрофобные же поверхности такой зоны не образуют, следовательно, вода в них подниматься не должна. Это предположение было также подтверждено экспериментами.

Поллак утверждает, что описанный им механизм аналогичен механизму, разработанному для объяснения осмотического вытягивания воды и механизму, предложенному для объяснения впитывания воды в сетчатые структуры. Все механизмы приводятся в действие протонами.

Очевидно, что зарядовые механизмы могут лежать в основе многих процессов вытягивания воды, а может быть и всех таких процессов. Эта универсальность является очень сильной стороной электростатического механизма.

Безусловно, капиллярный эффект проявляется не только в лабораторных трубках и на бумажных салфетках. Он повсюду встречается в природе. Особенно он заметен в царстве растений.

Так, вода поднимается по стволам деревьев, даже таких высоких, как, например, секвойя, высота которой может достигать 100 метров. Внутри стволов деревьев узкие сосуды-ксилемы (одревесневшие части побега) проходят от корней к листьям, осуществляя транспортировку воды.

До сих пор механизм сосудистой транспортировки остается предметом активных дискуссий. Одни ученые считают, что вода поднимается по стволам деревьев за счет особой разновидности капиллярного эффекта. Но на пути этой гипотезы встают две проблемы.

Во-первых, столб воды, проходящий по стволу высокого дерева, слишком тяжел, чтобы он мог подняться на высоту, превышающую 10 метров. Во-вторых, воздушные карманы, находящиеся в жидкости ксилемных трубок, должны препятствовать процессу восходящего движения воды (такое происходит в соломинках, которые мы используем для питья).

Эти вопросы не отвергают возможность участия капиллярного эффекта в подъеме воды по стволам высоких деревьев, сами по себе они не обязательно являются препятствиями. Столб жидкости не висит в пустом пространстве, он цепляется за стенки, воздушные же карманы не должны мешать увеличению заряда.

Вопрос в том, действительно ли в подъеме воды по высоким стволам деревьев участвует именно этот механизм? Содержат ли ксилемы исключающие зоны? Джеральд Поллак считает, что содержат.

Он ссылается на опыт, проведенный совместно с его другом и коллегой Мартином Кэнни. Исследователи вливали мелкие частицы чернил в ксилемы, быстро замораживали образцы и изучали их с помощью электронного микроскопа. Результаты подтвердили наличие исключающих зон в этих сосудах.

Если в ксилеме присутствуют исключающие зоны, то они, безусловно, играют определенную роль в физиологии сосудов. Ксилемные трубки содержат не только исключающие зоны, но и протоны в центре. Потоки по ксилемным трубкам привычно называют капиллярными, но Поллак предлагает называть их протонными.

Протонный поток замещает воду, потерянную при испарении с листьев растений. При этом верхняя часть полости ксилемы может на время стать сухой, за исключением остаточных слоев исключающей зоны. Протоны, связанные с этими слоями, втягивают воду вверх с помощью того же механизма, который действует в тонких кварцевых капиллярных трубках. Именно это движение воды вверх и сохраняет влагу в листьях.

Высота не является препятствием для действия этого механизма, так как сосуды достаточно тонки, чтобы сила втягивания превышала силу тяжести. Диаметр верхних сосудов дерева составляет всего один микрометр. Сосуды, расположенные ниже, шире, но в их просветах много нитей гидрофильного полимера, которые сужают эти просветы.

Исключающие зоны связаны с такими поверхностями, а объемная вода связана с исключающими зонами из-за значительного содержания ионов гидроксония. Это очень сильные связи, большую часть веса водяного столба они несут на себе. Сочетание мощной несущей способности и узости сосудов позволяет воде без затруднений подниматься на значительную высоту.

Джеральд Поллак говорит о том, что энергетика этого процесса заслуживает особого внимания. Восходящий поток воды нуждается в энергии подобно перекачке воды в поднятый на высоту резервуар. Источником энергии является падающая лучистая энергия, которая питает потоки через ксилемы точно так же, как она питает потоки через гидрофильные трубки.

Непосредственный вклад падающей лучистой энергии в поток объясняет, почему энергия потока зависит от сезона. Активизироваться поток начинает с приближением весны – как раз тогда, когда количество лучистой энергии в окружающей среде начинает расти. К лету поток достигает своей максимальной активности, осенью уменьшается, а зимой почти полностью прекращается.

По мнению Джеральда Поллака, во всем, что связано с водой, есть еще очень много вопросов. Широкое распространение и известность воды вовсе не является поводом прекратить ее изучение. Напротив, самая привычная жидкость на планете полна тайн и загадок.