В соответствии с квантовой теорией молекула, включающая два идентичных атома, ядра которых имеют ненулевые спины, могут существовать в виде спиновых изомеров. Ядерные спины могут иметь различную ориентацию - быть параллельными друг другу или антипараллельными. В первом случае полный ядерный спин равен единице, во втором — нулю. Форму с параллельными спинами называют орто-формой, с антипараллельными - пара-формой.
Это уже давно продемонстрировано на молекуле водорода Н2: есть орто-водород и пара-водород, их умеют разделять, причем физические свойства изомеров оказываются заметно различными. Спиновые изомеры возможны для многих веществ - азота (N2), метана, аммиака и многих других. Не является исключением и вода. Показано, что в условиях равновесия соотношение орто- и пара-форм воды равно 3:1 (75% орто-изомера, 25% - пара). Соотношение это зависит от температуры. Разные формы воды по-разному проявляются в спектрах, но чтобы заметить разницу, нужно иметь хорошую спектральную аппаратуру.
Группа исследователей из Института общей физики РАН в течение длительного времени решает две задачи: 1) научиться определять (регистрировать) обе формы воды в их смеси и 2) разделить эти формы [1-5]. Первая задача в сущности решена. С использованием диапазона 36-38 см-1 и техники субмиллиметровой ЛОВ-спектроскопии (ЛОВ -лампа обратной волны) физики регистрируют отдельные полосы орто- и пара-изомеров в водяных парах. Правда, такая регистрация не может быть в настоящее время сколько-нибудь массовой. Трудно, а лучше сказать, пока невозможно даже воспроизвести полученные данные в другой лаборатории. Дело в том, что используемый спектрометр, изготовленный в институте, уникален.
Вторая задача, видимо, может быть решена, поскольку удается уже сейчас добиться обогащения. При динамической сорбции водяного пара на активном угле (вариант фронтальной хроматографии) сначала из колонки преимущественно выходит орто-форма. Удалось получить фракцию с соотношением орто- и пapa-изомеров, равным 10:1, и фракцию с обратным соотношением 1:2 (т.е. с преобладанием пара-формы). В полученных фракциях имеет место релаксация, т.е. возвращение к соотношению 3:1, но она протекает довольно медленно - до 30 мин и даже до часа.
Помимо активного угля для разделения форм использовали силикагель, цеолиты, оксид алюминия, но активный уголь дал наилучшие результаты. Проводили эту работу физики. Очевидно, что для такого исследования целесообразно привлечь специалистов по адсорбции и хроматографии.
Не надо много говорить о том, насколько важна и интересна эта тема. Результаты исследования могут иметь огромное значение для биологии и медицины, химии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса (в ЯМР-томографии "работает" только один изомер), может быть, для магнитной обработки воды и т.д., и т.п.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конюхов В.К.. Прохоров A.M., Тихонов В.И., Файзулаев В.Н. // Письма в ЖЭТФ. 1986. Т. 43. С. 65.
2. Konyukhov V.K., Tikhonov V.I., Tikhonova T.L. // Proc. Inst. Gen. Physics. 1990. V. 12. P. 208.
3. Konyukhov V.K., Logvinenko V.P.. Tikhonov V.I. // Bull. Lebedev Phys. Inst. 1995. № 5-6. P. 83.
4. Tikhonov V.I.. Volkov A.A. // Science. 2002. June 28. V. 296. P. 2363.
5. Вигасин A.A., Волков А.А., Тихонов В.И., Щелушкин Р.В. // Докл. АН. 2002. Т. 387. № 5. С. 1.