אשכול מים

אשכולות מים הוצעו כהסבר לכמה מתכונות המים החריגות (אנומליות), כגון השינוי הבלתי-רגיל של צפיפות כתלות בטמפרטורה. אשכולות מים מעורבים גם בייצוב של מבנים סופרא מולקולריים מסוימים. הם צפויים למלא תפקיד גם בהידרציה (מיום) של מולקולות ויונים המומסים במים.

 תחזיות תאורטיות 
מודלי מים מפורטים חוזים את הימצאותם של אשכולות מים, כתצורות של מולקולות מים שהאנרגיה הכוללת שלהן נמצאת במינימום מקומי.

עניין מיוחד מעוררים האשכולות הטבעתיים n(H2O); קיומם נחזה עבור n = 3 עד 60. בטמפרטורות נמוכות, קרוב ל-50% ממולקולות המים כלולות באשכולות. ככל שגודל האשכול עולה, המרחק בין חמצן לחמצן נמצא במגמת ירידה, דבר המיוחס למה שמכונה אינטראקציות רב-גופיות קואופרטיביות: בשל שינוי בהתפלגות המטען, המולקולה מקבלת-המימן הופכת למולקולה תורמת-מימן טובה יותר עם כל הרחבה של מכלול המים. נראה כי קיימות צורות איזומריות רבות עבור ההקסאמר 6(H2O): החל מטבעת, ספר, תיק, כלוב, ועד לצורת מנסרה, עם אנרגיה כמעט זהה. שני איזומרים דמויי-כלוב קיימים עבור הפטמרים 7(H2O), ואוקטמרים 8(H2O) נמצאו בצורה טבעתית או בצורת קובייה.

מחקרים תאורטיים אחרים חוזים אשכולות בעלי מבנים תלת-ממדיים מורכבים יותר. דוגמאות לכך כוללות את האשכול דמוי-פולרן 28(H2O), המכונה "כדור באקי של מים", ורשת עשרימון משוכלל בת 280 מולקולות מים (כאשר כל מולקולת מים מתואמת ל-4 אחרות). האחרון, שקוטרו 3 ננומטר, מורכב מקליפות איקוסהדרליות מקוננות עם 280 ו-100 מולקולות. קיימת גם גרסה מורחבת עם קליפה נוספת של 320 מולקולות. היציבות עולה עם הוספת כל קליפה. קיימים מודלים תאורטיים של אשכולות מים המונים יותר מ-700 מולקולות מים, אך הם לא נצפו באופן ניסויי. קו מחקר אחד משתמש בשמורות גרף ליצירת טופולוגיות של קשרי מימן ולחיזוי תכונות פיזיקליות של אשכולות מים וקרח. השימושיות של שמורות גרף הוצגה במחקר שבחן את כלוב ה-6(H2O) והדודקהדרון 20(H2O), המקושרים בערך לאותם סידורי אטומי חמצן כמו בפאזות המוצקה והנוזלית של המים.

 תצפיות ניסיוניות 
מחקר ניסויי של מבנים סופרא מולקולריים כלשהם במים הוא קשה בשל זמן החיים הקצר שלהם: קשרי המימן נשברים ונוצרים מחדש ללא הרף בטווחי זמן המהירים מ-200 פמטו-שניות.

אף על פי כן, אשכולות מים נצפו בפאזה הגזית ובתערובות מהולות של מים וממסים לא-קוטביים כמו בנזן והליום נוזלי. הזיהוי והאפיון הניסויי של האשכולות הושג באמצעות ספקטרוסקופיה - תת-אדום רחוק (FIR) וספקטרוסקופיית תנודה-סיבוב-מנהור (VRT) - ובאמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) פרוטונים ועקיפת נייטרונים. נמצא כי להקסאמר יש גאומטריה מישורית בהליום נוזלי, קונפורמציית כיסא בממסים אורגניים, ומבנה כלוב בפאזה הגזית. ניסויים המשלבים ספקטרוסקופיית IR עם ספקטרומטר מסה חושפים תצורות קובייתיות עבור אשכולות בטווח n=(8-10).

כאשר המים הם חלק ממבנה גבישי כמו בהידרט, ניתן להשתמש בעקיפת קרני רנטגן. קונפורמציה של הפטמר (שביעייה) מים נקבעה (טבעתית מפותלת לא-מישורית) בשיטה זו. יתרה מזאת, אשכולות מים רב-שכבתיים עם הנוסחה 100(H2O) הלכודים בתוך חללים של מספר אשכולות פוליאוקסומטלאט  דווחו גם כן על ידי מולר ואח'.

 מודלים של אשכולות של מים נוזליים בתפזורת 
מספר מודלים מנסים להסביר את התכונות של המים על ידי ההנחה שהן נשלטות על ידי היווצרות אשכולות בתוך הנוזל. לפי תאוריית שיווי המשקל הקוונטי של אשכולות (QCE) בנוזלים, אשכולות של n=8 שולטים בפאזה הגושית של מים נוזליים, ואחריהם אשכולות n=5 ו-n=6. בקרבת הנקודה המשולשת, נטען לנוכחות של אשכול n=24. במודל אחר, המים בנוזל בנויים מתערובת של טבעות הקסהדרון ופנטמר (חמישייה) המכילות חללים המסוגלים להכיל מומסים קטנים. במודל אחר קיים שיווי משקל כימי בין אוקטמר מים קובייתי ושני טטרהדרון טבעתיים. עם זאת, אף אחד מהמודלים הללו עדיין לא הצליח לשחזר את מקסימום הצפיפות של המים כפונקציה של הטמפרטורה, כפי שנצפה בניסוי.

 ראו גם 
 קשר מימן
 אפקט מפמבה
 האנומליה של המים

 קישורים חיצוניים 
 אשכולות מים ב-London South Bank University
 מסד הנתונים של אשכולות קיימברידג' - כולל אשכולות מים שחושבו באמצעות מודלי מים שונים ואשכולות מים שנחקרו בשיטות ab initio.

 הערות שוליים 

קטגוריה:כימיה סופרא מולקולרית