То, что вода безмерно важна для нас, знает, наверное, каждый. Мы примерно на 2/3 состоим из воды, и жизнь каждой живой клетки от бактерий до человеческих клеток возможна только в присутствии воды. Без воды долго не проживёшь.
Более того, жизнь зародилась вследствие особых свойств воды. Я расскажу об одном из важнейших. Молекула воды H2O – очень маленькая и очень полярная. Дело в том, что кислород очень любит электроны и перетягивает их на себя как одеяло, а водороды оказываются «раздетыми». В результате выходит, что на атоме кислорода скапливается отрицательный заряд (примерно минус полтора электрона), а на водородах – положительный. Именно этот эффект поляризации (образования полюсов) лежит в основе большинства удивительных свойств воды.
Электрические заряды очень сильно взаимодействуют друг с другом: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Каждая молекула воды липнет к четырём соседям: водороды прилипают к кислородам соседних молекул, а к кислородам липнут соседние водороды. В жидкой воде образуется «сетка водородных связей», она становится очень связной: у неё большое поверхностное натяжение (трудно растянуть), высокая температура кипения (трудно нагреванием разорвать все связи, чтобы сделать из жидкости газ).
Связей на единицу массы очень много. Из-за полярности (разделения зарядов) у воды выбор отношений очень пристрастный. Вода «любит» вещества с разделением зарядов (потому что свои заряды притягиваются к ним) – оксиды, и проводники – металлы. Такие вещества называются «гидрофильными». Оксиды любимы водой по тем же причинам, что полярна сама вода. В них, как правило, заряды разделены: отрицательный сидит на кислороде, положительный на окисляемых атомах. Таких веществ вокруг множество: камни и глина, стекло, цемент – это оксиды металлов и кремния. Металлы обычно проводят ток, в них часть электронов движется свободно. Из-за этого они могут притягивать электрические заряды: когда любой заряд приближается к поверхности, электроны либо сгущаются либо разбегается и образуется «пятно» заряда противоположного знака.
Из-за полярности и сильного взаимодействия с зарядами такие вещества с удовольствием смачиваются водой (гидрофильны), поэтому вода растекается на поверхности. На гидрофобных поверхностях капли воды «поджимаются».
Если молекулы неполярны, всё немного сложнее. Некоторые химические соединения и атомы не особенно любят собирать на себе заряд. Таков, например, углерод. Соединения углерода (алмаз, графит), углеводороды (масла), полистирол и тефлон (тетрафлорэтилен (−C2F4−)n) воду не любят. Для научных и инженерных целей форма капли является главным признаком гидрофильности и гидрофобности. Если угол на краю выходит острый, то материал любит воду, гидрофилен. Если угол тупой, то это гидрофобный материал.
Капля поджимается из-за того, что молекулы воды притягивают друг друга сильнее, чем их притягивает материал. Если притяжение к материалу минимально, то возникает «эффект лотоса» – шарообразные капли. Мы видим такое на листьях растений, лепестках цветов, крыльях бабочек. Эффект лотоса даёт не только красивые картинки, но выполняет важную функцию: самоочищения поверхности. Капельки воды легко скатываются с таких материалов, забирая с собой пыль и прочие загрязнения. Эти поверхности называют супергидрофобными.
Секрет их строения в том, что они утыканы микроскопическими шипами, которые уменьшают контакт воды с материалом до минимума. Капельки воды из-за поверхностного натяжения не могут протиснуться между шипами и поэтому сидят на их концах, как бы паря над поверхностью.
«Парение» капли над поверхностью, когда она катится по верхушкам шипов, называется состоянием Касси. Именно его пытаются воспроизвести в водо- и грязеотталкивающих поверхостях текстиля, мембран или твёрдых покрытий.
Лучше всего выходит, если сделать шипы или валики из гидрофобного материала. Защита от намокания и промокания не абсолютна. При большом давлении, мощной струе или толстом слое воды, воду можно продавить через текстуры. У текстиля предельное давление указано в характеристиках.
Супергидрофобная обработка способна изменить течение воды по поверхности или движение тела в воде. Слева на видео бульк обычного металлического шарика, справа – супергидрофобного. Последний расталкивает воду и создаёт воронку. Благодаря полярности, вода является одним из лучших растворителей. Она легко растворяет соли, сахара, белки, спирты, и прочее. Трудность возникает только с плотным жиром. С другой стороны, жиры легко растворяются в неполярных растворителях: маслах и спиртах. Молекулы жиров, впрочем, тоже притягиваются к молекулам воды, но из-за того что взаимное притяжение молекул воды сильнее, вода выталкивает неполярные вещества на поверхность (например, капли жира на супе).
Гидрофобные силы важны во многих процессах от разделения жидкостей до самоорганизации молекул и упаковки белков.
Самое интересное начинается, когда молекулы амфифильны – имеют и полярную и неполярную части. Тогда начинают соревноваться две противоположных тенденции – растворения и выталкивания. В результате такие молекулы собираются на поверхности раздела вода-воздух или вода-масло. Такие вещества меняют поверхностное натяжение Их называют поверхностно-активными. Таковы липиды, жирные кислоты (мыло), некоторые белки. Они сидят между двух жидкостей так, чтобы каждая часть была там, где ей комфортно: полярная в воде, неполярная – в масле или в газе.
Например, вся внутренняя поверхность альвеол – пузырьков, из которых составлены лёгкие, покрыта слоем липидов хвостами наружу.
Кстати, альвеолы наших лёгких содержат поразительные молекулярные машины, которые на каждом вдохе(!) разматывают и на выдохе сматывают «ковёр» или липидов, меняя площадь ковра вдвое! Белки (красненькие бочонки) направляют смотку-размотку.
Если белков и липидов не хватает, или они дефектные (дисфункция лёгочного сурфактанта), мы не сможем дышать, потому что растягивать каждую секунду ковёр общей площадью с футбольное поле станет непосильной задачей для организма из-за большого поверхностного натяжения воды. Молекулы амфифилы также образуют мицеллы – шарики растворимые в воде, но сами растворяющие жир, потому что их внутренность похожа на капельки масла. Это называется солюбилизацией жира. Из-за мицелл вода с мылом смывает жирное лучше, чем чистая вода.
Вода не липнет к неполярным поверхностям, поэтому гораздо легче течёт в каналах с гидрофобными стенками, как бы скользя над ними. Микрофлюидика (медицинские приборы, чипы in vitro) очень ценит такое, потому что проталкивать воду через узкие каналы довольно тяжело.
Последнее: природные материалы часто оптимизированы под оба типа отношений с водой. Например, белки (паутина, шёлк, шерсть) в среднем имеют примерно поровну (45-55%) гидрофобной и гидрофильной поверхности. Целлюлоза (вата, бумага, дерево) хорошо относится и к воде и к жиру. Амфифильные молекулы самоорганизуются не только в мицеллы, но и в двойные слои, пряча жирные хвосты от воды, и в везикулы (пузырьки). Каждая живая клетка окружена липидным бислоем, это огромная везикула с начинкой из ДНК и белков.
