Влияние низкоинтенсивного электромагнитного поля на водные кластеры в присутствии ионов, страница 4

Доли таких типов средивсех остальных в 10000 выборке для кластеров с ионом Na+ или K+ в окружении 8 молекул воды составляют 49,56±0,68 % или 26,64±0,98 % соответственно, а для 9 молекул воды они уже соответственно составляют 23,07±2,37 % или 2,05±1,50 %. Поэтому водныйкластер из 9 молекул воды и иона Na+ или K+ не подходит для исследования воздействияна него внешнего низкоинтенсивного электрического поля при 10000 выборке.13Для численных экспериментов были выбраны кластеры с ионом Na+ или К+ в окружении 8 молекул воды.

Для такого количества молекул воды без внешнего воздействияв натриевом кластере существуют 17±1 часто встречающихся типов сеток водородныхсвязей из 1011±28 их общего количества, а в калиевом кластере – 14±2 из 1588±3.На рис. 2 представлены наиболее часто реализуемые в 10000 выборке равновесныепри 300 К конфигурации кластера с ионом Na+ или K+ в окружении 8 молекул воды.

Нанем приведены значения весового коэффициента (K), потенциальной энергии кластера(W), количество молекул в первой координационной сфере (ПКС) центрального иона(CN), а также минимальная (Wмин), средняя (Wср) и максимальная (Wмакс) потенциальныеэнергии для кластеров с одинаковым типом структуры сетки из водородных связей.Рисунок 2. Конфигурации натриевого и калиевого кластеров в окружении 8 молекул воды снаиболее часто встречающимися типам структур сеток из водородных связей (№1).Интересным фактом оказалось отсутствие у равновесных конфигураций частовстречающихся типов структур сеток водородных связей в кластере с ионом Na+ или K+ вокружении 8 молекул воды минимальной потенциальной энергии.

На рис. 3 показаныконфигурации кластеров с такой энергией.14Рисунок 3. Конфигурации натриевого и калиевого кластеров в окружении 8 молекул воды сминимальными значениями потенциальной энергии.15Во втором параграфе “Анализ равновесных при температуре 1 К конфигураций водного кластера в присутствии иона” описываются результаты серии численныхэкспериментов по исследованию равновесных при температуре 1 К конфигураций водных кластеров с ионом Na+ или K+ в окружении различного количества молекул воды сминимизированными значениями потенциальной энергии.Из серий зависимостей потенциальной энергии взаимодействия иона Na+ с одноймолекулой воды в кластере от ее расстояния до иона, соответствующих различному количеству молекул воды, следует существование трех ее пространственных областей устойчивости. Они расположены на следующих характерных расстояниях от центра атомакислорода до иона Na+: 2,37±0,02 Å; 3,82±0,11 Å; 6,28±0,07 Å.

Все расстояния определялись между центрами иона и атома кислорода в исследуемой молекуле воды.Серия аналогичных зависимостей для иона K+ в окружении различного количествамолекул воды так же выявляет данные области, но с большими соответствующими расстояниями до иона: 2,75±0,01 Å; 4,40±0,03 Å; 6,48±0,23 Å.

Расстояния определялись также, как и в предыдущем случае.Интересным фактом является то, что средние арифметические значения характерных расстояний первых двух областей устойчивости для кластеров с ионом Na+ или К+соответствуют радиусам первых координационных сфер центральных ионов.Для иона Na+ он равен 3,19 Å. Среднее арифметическое значение двух выявленныхнами расстояний 2,37±0,02 Å и 3,82±0,11 Å составляет 3,09±0,10 Å.Характерный радиус первой координационной сферы для иона K+ равен 3,68 Å.Среднее арифметическое значение двух выявленных нами расстояний 2,75±0,01 Å и4,40±0,03 Å составляет 3,56±0,03 Å.Зависимость различного количества типов структур сеток из водородных связейдля натриевых и калиевых водных кластеров с минимизированной потенциальной энергией от числа присутствующих в них молекул воды имеет форму возрастающей степенной функции.

В кластере с ионом Na+ в окружении 8 молекул воды при температуре 1 Квыявлено 709±5 различных типов структур из сеток водородных связей. Из них 23±1 часто реализуются. В калиевом кластере с таким же количеством молекул воды обнаружено800±15 различных типов структур сеток из водородных связей. Из них 24±1 часто реализуются. На рис.

4 представлены наиболее часто реализуемые при температуре 1 К конфигурации натриевого и калиевого кластера с минимизированной потенциальной энергии вокружении 8 молекул воды.16Рисунок 4. Конфигурации натриевого и калиевого кластеров в окружении 8 молекул воды снаиболее часто встречающимися типам структур сеток из водородных связей.Интересным фактом оказалось отсутствие среди равновесных конфигураций при1 К, соответствующим часто встречающимся типам структур сеток из водородных связей, конфигураций с минимальной потенциальной энергией.

На рис. 5. изображены конфигурации таких кластеров с ионами Na+ и K+ в окружении 8 молекул воды.В третьем параграфе “Результаты численного эксперимента по воздействиюэлектрического поля различной напряженности на водные кластеры с ионом Na+или K+” описываются результаты воздействия на кластер с ионом Na+ или K+ в окружении 8 молекул воды электрического поля с напряженностями, эквивалентными мощностям низкоинтенсивного электромагнитного излучения и электромагнитного поля, способного оказать тепловое воздействие.На рис.

6-9 показаны спектры типов структур сеток из водородных связей кластеров с ионом Na+ или К+ в окружении 8 молекул воды под воздействием внешнего электрического поля с напряженностями 112,21 и 237,79 В/м, а также без его влияния. Каждый из рисунков содержит наборы весовых коэффициентов для каждого часто встречающегося типа структуры сетки из водородных связей в отсутствии поля и при его воздействии на кластер. По оси ординат отложены весовые коэффициенты для каждого типа17структуры сетки из водородных связей. Доверительные интервалы ошибок указаны с вероятностью 95%.Рисунок 5. Конфигурации натриевого и калиевого кластеров в окружении 8 молекул воды сминимальными значениями потенциальной энергии.18Воздействие внешнего электрического поля с напряженностями 112,21 и237,79 В/м (6,6 и 30 мВт/см2) на водный кластер с ионом Na+ не привело к достовернымизменениям в весовых коэффициентах часто встречающихся типов структур сеток из водородных связей в 10000 выборке его конфигураций.

Так же не изменилось общее количество различных типов структур из сеток водородных связей и средняя потенциальнаяэнергия системы.11,0010,00Весовые коэффициенты, %9,00Без воздействия поля8,007,00Воздействие полем, E=237,79 В/м6,005,004,003,002,001,000123456789101112Номера типовРисунок 6. Спектры часто встречающихся типов структур сеток из водородных связейкластера с ионом Na+ в окружении 8 молекул воды, полученные под воздействием внешнегоэлектрического поля с напряженностью 237,79 В/м и в его отсутствии.Низкоинтенсивное электрическое поле привело к избирательному смещению молекул воды в некоторых конфигурация кластеров (переходные конфигурации) без переключения в них водородных связей. Дальнейшее поведение модифицированной такимобразом системы приводило к изменению очередности появления равновесных при температуре 300 К конфигураций водных кластеров с ионом Na+ или K+.

Т.е. у них изменилась последовательность появления типов структур сеток из водородных связей.Свободную энергию кластера характеризует величина дисперсии среднего расстояния от входящих в его состав молекул воды до его центра. Воздействие внешнегоэлектрического поля каждой из 2-х выбранных напряженностей не привело к достоверным изменениям как в значениях средних расстояний от молекул воды до центров кластеров с часто встречающимися типами структур сеток из водородных связей, так и дис-19персий этих величин. При изменении очередности появления конфигураций этих кластеров в системе изменилась эволюция ее свободной энергии.11,0010,00Весовые коэффициенты, %9,00Без воздействия поля8,00Воздействие полем, E=112,21 В/м7,006,005,004,003,002,001,000123456789101112Номера типовРисунок 7.

Спектры часто встречающихся типов структур сеток из водородных связейкластера с ионом Na+ в окружении 8 молекул воды, полученные под воздействием внешнегоэлектрического поля с напряженностью 112,21 В/м и в его отсутствии.3,15Без воздействия поля2,90Весовые коэффициенты, %2,65Воздействие полем, Е=237,79 В/м2,402,151,901,651,401,150,900123456789101112Номера типовРисунок 8. Спектры часто встречающихся типов структур сеток из водородных связейкластера с ионом K+ в окружении 8 молекул воды, полученные под воздействиемвнешнего электрического поля с напряженностью 237,79 В/м и в его отсутствии.203,25Без воздействия поля3,00Весовые коэффициенты, %2,75Воздействие полем, E=112,21 В/м2,502,252,001,751,501,251,000,750,500123456789101112Номера типовРисунок 9.

Спектры часто встречающихся типов структур сеток из водородных связейкластера с ионом K+ в окружении 8 молекул воды, полученные под воздействиемвнешнего электрического поля с напряженностью 112,21 В/м и в его отсутствии.На рис. 10 и 11 представлены переходные конфигурации кластеров с ионом Na+или K+ в окружении 8 молекул воды, одна из которых изменила свое положение под воздействие электрического поля ранее выбранных напряженностей.В табл. 1 представлены начальные расстояния между одной из 8 молекул воды, вкоторой произошли изменения под воздействием внешнего электрического поля, и присутствующим в кластере ионом Na+ или К+.Таблица 1Исходные расстояния между измененной внешним электрическим полем одной из 8 молекул водыв переходном кластере с ионом Na+ или К+RH2O (исходное расстояние от ценE (напря№ переходногоRО (исходное расстояние от атомаженность внешкислорода молекулы воды, в коор- тра масс молекулы воды, в коордикластера (типнего электриченатах которой произошли изменеприсутствующего динатах которой произошли измеского поля),нения, до центра иона),ния, до центра иона),в кластереиона)В/м (мВт/см2)ÅÅ237,79 (30,0)112,21 (6,6)1 (Na+)2,50±0,012,55±0,01112,21 (6,6)2 (Na+)2,57±0,012,62±0,01112,21 (6,6)1 (K+)2,95±0,013,00±0,01237,79 (30,0)2 (K+)3,04±0,013,08±0,0121Рисунок 10.

Переходные натриевые кластеры под воздействие электрического поляс напряженностями 112,21 и 237,79 В/м.22Рисунок 11. Переходные калиевые кластеры под воздействие электрического поляс напряженностями 112,21 и 237,79 В/м.23Из табл. 1 видно, что для натриевого кластера наиболее подвержены низкоинтенсивному электрическому полю молекулы воды, расположенные от иона на расстоянии2,54 Å. Изменения в калиевом кластере происходят в молекуле воды, расположенной нарасстоянии 3,00 Å от иона K+.