350 rub
Journal Nonlinear World №2 for 2009 г.
Article in number:
Detection of Ice-Like Clusters Spectral Component in OH Band of Water at the Temperature 13 - 99 °С
Authors:
S.M. Pershin, T.G. Adiks, V.A. Lukyanchenko, R.R. Nigmatullin, A.A. Potapov
Abstract:
The temporal (in the interval 13-99 °С) evolution of OH band of Raman scattering on the valence OH stretching mode of water molecules is studied by new method. In the frame of new approach the measured spectrum is divided on two parts: the smoothed and generalized mean value and the remnant modulation spectrum of the band envelope. The comparison of the new method with suggested earlier approach (based on the recognition of an object by means of radiolocation impulses obtained from a shaggy surface and the subsequent analysis of the recorded impulse with the help of gaussian and non-gaussian statistics) shows that the introduction of the statistics of the factional moments satisfies to more «soft» condition. It makes useless a priori requirement related to the statistics of the signal or its component. The application of new approach allows us to discover that the fluctuated part of OH band (determined by the modulation of envelope) contains two dominant components at ~3200 and ~3450 cm-1 The comparison of these frequencies with frequencies of the large water clusters measured earlier in molecular beams showed that they correspond to hexameric (ice-like) and tetrameric molecular complexes. In the first time to the best of our knowledge it was established that the increasing of water temperature up to the boiling one (99 °С) leads to decreasing of amplitudes of ice-like components and at the same time leads to increasing the amplitudes of tetrameric complexes without noticible frequency changes of the latter ones. At this process the gravity center of the generalized mean value of OH band is shifting to the high-frequency region with coefficient ~1 cm-1deg-1. The discovered peculiarities can be interpreted as spectral confirmation of existence of stable hydrogen-bonded ice-like molecular clusters in liquid water. Their spectral contribution decreases with increasing of temperature (up to 99 С) but remains significant. We formulated the conclusive hypothesis that the discovered spectral components at ~3200 and ~3450 cm-1 reflect the evolution of para-/ortho spin-isomer of a molecule Н2О in water. This ratio (before boiling) takes the equilibrium value 1:3 as molecules in gas. Further, according to our data this ratio in the region close to 0°С accepts the value 1:1 and after crystallization it is inverted to the value ~ (3:1).
Pages: 79
References
  1. For a review, Water - A Comprehensive Treatise, Ed. F. Franks, Plenum, New York, 1972; The structure and Properties of Water, Ed. D. Eisenberg and W. Kausman, Oxford Univ., Oxford, 1969; Water Science Reviews, Ed. F. Franks, Cambridge University Press, 1985.
  2. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов. - М.: Изд-во АН СССР, 1957.
  3. Зацепина Г.Н., Физические свойства и структура воды. - М.: Изд-во МГУ, 1998.
  4. Pershin S., Two Liquid Water, Physics of Wave Phenomena, 13(4), 192-208 (2005).
  5. M.Pershin S., Harmonic oscillations of the concentration of H-bond in liquid water, Laser Physics, 16(7), 1-7 (2006)
  6. Linesh K.B., and Frenken J.W.M., Experimental Evidence for Ice Formation at Room Temperature. - Appl.Phys.Lett., 101 036101 (2008).
  7. Nigmatullin R.R., The statistics of the fractional moments: Is there any chance to read «quantitatively» any randomness - ? J. Signal Process. 86, 2529-2547 (2006).
  8. Pershin S.M., Bunkin A.F., Lukyanchenko V.A., Nigmatullin R.R., Detection of the OH band fine structure in liquid water by means of new treatment procedure based on the statistics of the fractional moments. - Laser Phys. Lett., 4(11), 808 - 813 (2007).
  9. Buck U. and Huisken F. Infrared Spectroscopy of Size-Selected Water and Methanol Clusters. - Chem. Rev. 100, 3863 - 3890 (2000).
  10. Першин С.М., Бункин А.Ф. «Скачок» центра и ширины спектральной полосы КР валентных колебаний О-Н при фазовых переходах первого и второго рода в воде. - Оптика и Спектр, 1998, т. 85, №2, с. 209.
  11. Потапов А.А. Применение модулированных ММВ для формирования и идентификации изображений. - Радиотехника, 1989, № 12, с. 61 - 64.
  12. Потапов А.А. Дифракция модулированных волн на хаотической поверхности с крупномасштабными неровностям // X Юбилейный Всесоюз. симпозиум по дифракции и распространению волн «Волны и дифракция - 90» (Винница, 18 - 21 сентября 1990 г.): Тез. докл. - М.: Физическое общество СССР, 1990, т. 2, с. 183 - 186.
  13. Павельев В.А., Потапов А.А. Влияние земной поверхности на структуру импульсного сигнала в диапазоне миллиметровых волн. - Радиотехника и электроника, 1994, т. 39, № 4, с. 573 - 582.
  14. Потапов А. А. Синтез изображений земных покровов в оптическом и миллиметровом диапазонах волн // Дисс. - докт. физ.-мат. наук. - М.: ИРЭ РАН, 1994.
  15. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. - М.: Логос, 2002.; см., также: Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Университетская книга, 2005.
  16. Потапов А.А., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Пахомов А.А., Герман В.А. Новейшие методы обработки изображений / Под ред. А.А. Потапова. - М.: Физматлит, 2008 (монография - по гранту РФФИ № 07 - 07 - 07005).
  17. Потапов А.А. Фрактальные методы исследования флуктуаций сигналов и динамических систем в пространстве дробной размерности. - Флуктуации и шумы в сложных системах живой и неживой природы (Коллективная монография) / Под ред. Р.М. Юльметьева, А.В. Мокшина, С.А. Демина, М.Х. Салахова. - Казань: Министерство образования и науки Республики Татарстан, 2008, с. 257 - 310.
  18. Гнеденко Б.В. Колмогоров А.Н. Предельные распределения для сумм независимых случайных величин. - М.: ГИТТЛ, 1949.
  19. Потапов А.А. Топология выборки. - Нелинейный мир, 2004, т. 2, № 1, с. 4 - 13.
  20. Потапов А.А. Фракталы в задачах искусственного интеллекта: подходы, модели, некоторые результаты // Сб. трудов третьего расширенного семинара «Использование методов искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в аэрокосмических исследованиях» (г. Переславль - Залесский, 26 - 27 ноября 2003 г., ИПС РАН). - М: Физматлит, 2003, с. 76 - 90.
  21. Бункин А.Ф., Першин С.М. Патент России, № 98 103249 (1998).
  22. Ruocco G. and Sette F. The high-frequency dynamics of liquid water. - J. Phys.: Condens. Matter, 1999, vol. 11, R259-R293.
  23. Bunkin A.F., Nurmatov A.A., and Pershin S.M. - Laser Phys. Lett., 2006, vol. 16, р. 468.
  24. Tikhonov V.I. and Volkov A.A., Science, 2002, vol. 296, р. 2250.
  25. Вебер С., Багрянская Е., Чаповский П. - ЖЭТФ, 2006, vol. 129, рр. 86 - 95.
  26. Morre D.J., Orczyk J., Hignite H., Kim C., Regular oscillatory behavior of aqueous solutions of salts related of effects on equilibrium dynamics of ortho/para hydrogen spin isomers of water. - J. of Inorganic Biochemestry, 2008, vol. 102, no. 2, рр.260 - 267.