Компьютерное моделирование структуры связанной воды (1103449), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Отмечая на гексогональной сетке «след» “T-цикла”, можноописать алгоритм как его построения, так и восстановления по нему исходного “th-цикла”.16Следуя изложенному выше алгоритму, “th-цикл” – “спираль-3011” можно описатьследующим алгоритмом на гексагональной сетке: 0, 01, 012, 0121, 01212, 012121. “T-цикл”,соответствующий L-кластеру, может быть описан на гексагональной сетке так: 0, 03, 031,0312, 03123, 031232, 0312321, 03123213, 031232131, 0312321312. Можно ввести краткуюзапись алгоритма “T-цикла”.
В этой записи “T-цикл” L-кластера будет выглядеть так:0123132123Рис 23. Описание спирали 3011 (слева) и L-кластера(справа) на гексагональной сетке.“T-цикл” спирали 409 на гексагональной сетке опишется, например, алгоритмом: 0,01, 012, 0123, 01231, 012312, 0123123, …Для описания “T-цикла” на гексагональной сетке необходимо знать не толькокоординаты составляющих ее вершин, но и пути к этим вершинам.“T-цикл” Т-кластера можно описать объединением четырех “T-циклов” L-кластеров:1. 0123132123; 2. 0121323121; 3. 0132123132; 4.
0131232131.Для восстановления “th-цикла” из “T-цикла” (то есть алгоритма соединения твистванн “th-цикла”) помимо алгоритма соединения твист-ванн по «выступам» необходимотакже указать знак хиральности “th-цикла”Пятая глава. Радиальная функция распределения gOO(r) воды и бифуркатнаясвязь.
Возможность волн структурных перестроек в “th структуре” спираль 3011.В экспериментах по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов на жидкой водебыла получена экспериментально радиальная функции gOO(r).17Рис. 24. Радиальная функция gOO(r) жидкой воды.Анализ максимумов этой функции дает представление о ближнем порядкерасположения молекул воды. Максимум в области 0,28 нм соответствует расстоянию O-Oатомов кислорода двух молекул воды, связанных водородной связью – это расстояние доатомов кислорода первой координационной сферы.
Максимум в области 0,46 нмсоответствуетрасстояниюдоатомовкислородавторойкоординационнойсферы.Существование максимума в области 0,46 нм подтверждает гипотезу о тетраэдрическомстроении сетки водородных связей в жидкой воде. Максимум в области 0,37 нминтерпретировался в рамках двуструктурной модели структуры воды наличием молекулводы, находящихся в пустотах льдоподобного каркаса, поскольку расстояние 0,37 нмсоставляет примерно половину от размера диагонали ячейки льда.Предлагается следующее объяснение максимума в области 0,37 нм на радиальнойфункции gOO(r).
Предполагается «коллапс» второй координационной сферы молекулы водыпо следующему механизму:Рис 25. Последовательные стадии «коллапса» второй координационной сферы18Сближаются молекулы S21 и S11 настолько, что одна из этих молекул уходит извторой координационной сферы (например, S21), а другая молекула образует связь смолекулой первой координационной сферы с образованием циклической четырехвершиннойструктуры при сохранении локальной тетраэдричности каждой вершины. В изображенной нарис.25 структуре появляется новая связь S11-F2.Расчет энергии структур проводился в двух потенциалах: TIP3P и ПолтеваМаленкова.
Минимизация потенциальной функции проводилась методом симплекса. Врезультате расчета было показано, что энергия на одну водородную связь составляет 6,49ккал/моль в потенциале TIP3P и 6,59 ккал/моль в потенциале Полтева-Маленкова, чтохорошо согласуется с экспериментально определяемым значением энергии водородной связив жидкой воде.Таким образом, в настоящей работе выдвигается гипотеза, что максимум в области0,37 нм на радиальной функции gOO(r) жидкой воды обусловлен присутствием следующихустойчивых фрагментов в структуре сетки водородный связей:Рис 26. Устойчивые в потенциалах фрагменты сетки водородных связей, такие, чторасстояние между напротив лежащими атомами кислорода соответствует 0,37 нм.Такой фрагмент из тетраэдрических частиц может непротиворечиво присутствоватькак дефект в “th-циклах”.
Если подобный фрагмент встроить в структуру спирали 3011,становитсявозможнонезначительныхреализоватьперемещенияхалгоритмтетраэдрическихволнструктурныхчастицвперестроекпространстве,приоперируяпереключением связей между частицами. При этом происходит попеременное переключениететераэдрических частиц таким образом, что гексациклы конформации «твист-ванна»превращаются в гексамеры «клетка» и обратно.Для пояснения алгоритма структурных перестроек в спирали 3011 необходимо ввестив рассмотрение еще две частицы: A и B. Переключения происходят следующим образом: вгексамере (1,2,3,4,5,A) появляется связь 5-A с образованием конформации «клетка», далееразрывается связь 1-2. В результате минимизации энергии частицы незначительносмещаются.
Фрагмент структуры (5,A,B,3,1) – топологически подобен фрагменту (1,2,4,3,5)19исходной структуры. Cтруктуры 3 и 4 рис. 27 топологически и геометрически эквивалентныструктуре 1 рис 27:1234Рис 27. Алгоритм перемещения возмущения по спирали 3011 (волна структурнойперестройки ) 1. Исходная структура.
2. Переключение связей в гексамере (1,2,3,5,A)3. Структура 2, минимизированная по энергии. 4. Та же структура, что и на рисунке 3,повернутая на некоторый угол относительно оси спирали.Следующий шаг алгоритма волны структурной перестройки будет проходить сучастием частиц, соединенных связями с частицами (A,5). Следует отметить, что врезультате акта структурной перестройки не изменилось общее количество связей игеометрические характеристики структуры, а следовательно полная энергия структуры такжене изменилась.У частиц (1,2,3) «структурного возмущения» (1,2,3,4,5) по четыре связи.
Если спираль3011 является фрагментом большей структуры (например T или L кластера), то какие-либо изэтих связей станут бифуркатными, то есть эти частицы будут иметь по пять связей.Если предположить существование “th-циклов” в структуре жидкой и связанной водыв виде фрагментов спиралей 3011, как наиболее простых по топологическому алгоритмусвязывания, а также существование волн структурных перестроек в спиралях 3011, то тогда вструктуре связанной воды должны с необходимостью присутствовать бифуркатныеводородные связи Возмущение волны структурной перестройки отвечает максимуму 0,37 нмна радиальной функции gOO(r) жидкой воды, поскольку фрагмент (1,2,5,3) исходногокластера подобен четырехмолекулярному фрагменту, рассмотренному в первой части главы5.20Результаты и выводы.•Предложен метод компьютерного моделирования структур связанной воды в рамкахпараметрической модели связанной воды Н.А. Бульенкова.
Предложены новые алгоритмыполучения “th – циклов”.•Впервыеполученыпротяженныететраэдрическиеспирали,обладающиенекристаллографическими порядками осевой симметрии (72, 112).•Впервыететраэдрическихпостроенычастиц.фрактальныеУстановлено“th-циклы”,наличиесодержащиемаксимумавболееобласти10000104,5°,соответствующего валентному углу молекулы воды в газовой фазе на распределениивалентных углов этих структур.•Показано, что структуры ряда моносахаридов соответствуют параметрическимструктурам связанной воды. Установлена корреляция между этим соответствием ирастворимостью и аномерным составом моносахаридов в растворе.
Такая корреляцияотсутствует при рассмотрении структур моносахаридов, вписанных в структуры льда-Ih.•Предложен алгоритм редукции числа переменных “th-циклов”. Впервые полученыпараметрические структуры из тригональных частиц (“T-циклы”), соответствующие “thциклам”.•Предложено новое объяснение максимума 0,37 нм радиальной функции жидкой водыgOO(r) на основе топологической модели сетки водородных связей.
Показана возможностьсуществования устойчивой бифуркатной структуры, соответствующей максимуму функцииgOO(r) при r=0,37 нм.•Разработан и реализован алгоритм волн структурных перестроек в спирали 3011.21Список публикаций по теме диссертации1. А.Б. Соловей. Компьютерное моделирование трехмерной структуры связанной воды.Тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам«Ломоносов-2002», секция «Физика», Москва, 2002 г, с. 8-9.2.
А.Б. Соловей, В.И.Лобышев. Компьютерное моделирование структуры свободной исвязанной воды. Тезисы XIII международного симпозиума «Структуры жидкостей ирастворов» Саратов, 2002 г, с. 185.3. V.I. Lobyshev, A.B. Solovey, N.A. Bulienkov. Computer construction of modular structures ofwater. Journal of Molecular Liquids, 2003, 106/2-3, pp 277-297.4. В.И.
Лобышев, А.Б. Соловей, Н.А. Бульенков. Компьютерный модульный дизайнпараметрических структур воды. Биофизика, 2003, т. 48, № 6, c 1011-1021.5. А.Б. Соловей. Возможное объяснение различия значений растворимости некоторыхмоносахаридов. Тезисы IX Международной конференции «Проблемы сольватации икомплексообразования в растворах». Плес, 2003, с. 224.6. А.Б. Соловей. Компьютерный модульный дизайн параметрических водных структур.Тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам«Ломоносов-2003», секция «Физика», Москва, 2003, с. 29-31.7. А.Б. Соловей, В.И. Лобышев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
