Кубанский государственный технологический университет

Водородные связи можно изучать с помощью силы трения

27-01-2012
Водородные связи определяют строение и свойства многих веществ — от обычной воды до биологических макромолекул. Оказывается, динамику водородных связей можно изучать, измеряя зависимости силы трения скольжения от скорости (изображение с сайта ruppweb.dyndns.org)

Между двумя твердыми поверхностями может образовываться сеть из водородных связей, которая живет по своим особым законам. Измеряя зависимость силы трения от скорости, можно изучать плавление и рекристаллизацию этой сети.

Водородная связь занимает особое место среди всех типов химических связей.

Она обеспечивается атомом водорода, расположенным между двумя электроотрицательными ионами (например, атомами кислорода), которые оттягивают на себя электронное облако. Если бы на месте водорода был любой другой атом, то потеря одного электрона не сильно изменила бы его размер. В случае водорода потеря электрона оборачивается катастрофой: вместо атома остается один лишь протон — частица размером в одну стотысячную размера атома. Атом водорода словно исчезает, и поэтому два электроотрицательных атома могут сильно приблизиться друг к другу. Это делает водородные связи, с одной стороны, довольно крепкими, а с другой стороны, очень подвижными и «маневренными»: они легко образуются, легко видоизменяются и восстанавливаются.

Может показаться, что сети из водородных связей должны неизбежно изучаться тонкими методами атомной физики. Тем неожиданнее оказался вывод исследователей из Калифорнийского университета в Беркли. В своей статье J. Chen et al., Physical Review Letters, 96, 236102 (15 June 2006) они утверждают, что многие свойства водородных связей можно изучать чуть ли не в школьной лаборатории, наблюдая за самой обычной силой трения!

На этот вывод авторы работы натолкнулись почти случайно. Их заинтересовал очень простой вопрос: как зависит сила трения между двумя телами от скорости скольжения. В школьном курсе физики говорится, что трение скольжения тела не зависит ни от скорости движения, ни он площади соприкосновения, а только от прижимающей силы и коэффициента трения. На самом деле, этот закон выполняется лишь приближенно. Например, давно известно, что при движении с высокими скоростями коэффициент трения изменяется из-за нагрева поверхности соприкосновения, что приводит к зависимости силы трения от скорости. Однако при скольжении с очень малыми скоростями такие эффекты не должны быть важны.

Американцы как раз и изучали, зависит ли сила трения от скорости при очень медленном движении (при скоростях от 0,1 до 200 миллиметров в час) и малых нагрузках (эквивалентных весу в доли микрограмма). Нагревом в таких условиях можно пренебречь, и если какая-то зависимость обнаружится, то ее происхождение будет совсем иным.

Зависимость силы трения от скорости действительно наблюдалась, причем в некоторых случаях она уменьшалась, а в некоторых — увеличивалась с увеличением скорости. Пытаясь понять, из-за чего так получается, авторы взглянули на список использованных веществ и поняли простую закономерность. Если в химической формуле веществ есть свободно торчащие островки, способные к образованию водородных связей, например, –OH или –NH2, то сила трения уменьшается с ростом скорости. Если же торчащие наружу островки химически насыщены и не могут образовывать водородные связи, то сила трения растет с увеличением скорости.

Для проверки этого предположения авторы взяли поверхность со свободными группами –NH2 и смазали ее капелькой соляной кислоты, которая привела к образованию химически насыщенных групп –NH3Cl. Водородные связи при скольжении тела по такой поверхности уже не могли образовываться, и зависимость силы трения от скорости послушно изменилась на противоположную.

Почему же водородные связи так влияют на силу трения? Между двумя неподвижными поверхностями образуется густая сеть из таких связей, мелкие детали которой зависят от конкретного расположения двух шероховатых поверхностей. Можно сказать, что в состоянии покоя на границе соприкосновения двух поверхностей возникает «двумерный кристалл» из водородных связей, которые дополнительно удерживают тело от проскальзывания. Если всё же произойдет сдвиг — связи разорвутся, но из-за своей высокой подвижности вскоре воссоединятся вновь. Это можно представить себе как резкое «плавление» кристалла из водородных связей, а затем его рекристаллизацию.

Если два тела скользят очень медленно, меньше скорости, с которой распространяется «волна рекристаллизации», то реорганизация водородных связей поспевает за смещением тела. При повышении скорости движения всё меньшее количество связей будет успевать восстанавливаться при скольжении. Сеть из водородных связей будет похожа уже не на кристалл, а скорее на двумерную жидкость, которая тем «жиже», чем больше скорость скольжения. Всё это приводит к тому, что дополнительная сила трения, возникающая из-за водородных связей, будет уменьшаться.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что типичная скорость «волны рекристаллизации» водородных связей — порядка нескольких миллиметров в час. Авторы считают, что еще более аккуратное измерение силы трения позволит не только уточнить это число, но и понять в деталях термодинамические свойства этого нового «сорта вещества» — сложной сетки водородных связей.

Игорь Иванов

‹‹