CC BY
19Структуры на основе спирали 30/11 и их возможная реализация в водных системах
Е.А. Желиговская, Н.А. Бульенков
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва
В конце прошлого века встал вопрос о том, каким может быть локальный порядок в расположении атомов в твердых некристаллических телах на масштабах, превышающих размеры первой или второй координационных сфер. Для веществ из плотноупакованных атомов (например, металлов) или из тетраэдрически координированных атомов один из способов решения этой задачи был предложен в работах Садока (J.F. Sadoc), где локальный порядок строится как проекция некоторой области политопа {3, 3, 5} или производного от него политопа 240 на трехмерную плоскость. Распространение локального порядка в каком-либо направлении в этом случае осуществляется путем качения соответствующего политопа по трехмерной плоскости, а основными структурами локального порядка для систем из тетраэдрически координированных атомов оказываются так называемый Т-кластер из 27 атомов и спирали приблизительной симметрии 30/11 или 40/9.
Одновременно с этим был предложен способ построения локальных связанных упорядоченных некристаллических структур из трехмерных петель связей, названных модулями, с сохранением основных структурных параметров связей (длины связи, валентного угла) [1]. Используемые для этого модули были выделены из сетки связей в идеальных кристаллах или в кристаллах с введенными в них дефектами (дислокациями, дисклинациями, диспирациями). Оказалось, что спираль 30/11 получается введением в гексагональный канал структуры типа вюрцита (льда Ih) диспирации с углом а=+60° и сдвигом s = 'Л <0001>. В спирали 30/11 можно выделить некристаллические модули, размножение которых по симметрии Т-23 приводит к образованию Т-кластера. Длины связей в этих структурах различаются не более чем на 15%, валентные углы распределены с двумя максимумами (около 104° и 112°), а торсионные углы принимают значения вблизи 38°.
Из спиралей 30/11 и Т-кластеров были построены крупные спиральные и решеточные структуры, стержневые и фрактальные структуры, а также плоский слой, который может быть свернут согласованным образом в икосаэдрическую структуру [1]. Показано, что спиральные структуры из молекул воды соразмерны некоторым конформациям биомолекул, а решеточные структуры соразмерны параметрам биокристаллов [1].
Плоский слой может служить модельным кристаллическим аппроксимантом структуры поверхностного слоя (ПС) воды на границе с газовой фазой [2]. Возможно кооперативное преобразование такой структуры ПС воды при воздействии на ПС через созданный на нем ленгмюровский монослой. Наличие ПС не мешает кристаллизации неорганических солей под ленгмюровским монослоем. ПС может служить темплатом для протекания на нем топохимических реакций образования сверхтонких сеток из эпоксидного олигомера. Предложенная структура ПС воды на границе с газовой фазой может служить также темплатом для кристаллизации на ней льда Ih.
Фрактальная структура плоского слоя, свернутого в икосаэдр, положена в основу моделей гидратационных оболочек икосаэдрических вирусов [1]. На основе фрактальных структур и структуры плоского слоя построены модели гидратации мышечной ткани и клатриновой сетки. Показан кооперативный структурный переход стержневой структуры из Т-кластеров в стержневой фрагмент структуры льда Ih [2].
Перечисленные результаты являются структурным обоснованием ведущей роли воды в образовании и функционировании различных водных систем, включая биосистемы [2].
[1] Н.А. Бульенков. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на различных уровнях их иерархии. Биофизика, 36, 181-243 (1991).
[2] N.A. Bulienkov, E.A. Zheligovskaya. Generalized crystallography and bound-water modular structures determining morphogenesis and size of biosystems. Struct. Chem., 28, 75-103 (2017).
