В стакан с водой падают две крупинки соли. Они растворяются, ионы натрия и хлора расходятся по всему объёму. Школьная истина проста: одинаковые заряды отталкиваются, разные — притягиваются. Но недавние опыты с крошечными шариками в жидкостях показали картину, которая ломает это правило. В растворах одинаково заряженные частицы могут настойчиво притягиваться друг к другу, а разноимённые — упираться и не сближаться.
Секрет прячется в самой жидкости. Обычно её представляют как бесструктурную среду с постоянной диэлектрической проницаемостью — просто фон, который немного ослабляет электрические силы. Но молекулы воды, спирта или масла — не пассивные наблюдатели. Возле любой заряженной поверхности они выстраиваются в определённом порядке, как зрители в первом ряду, привставшие, чтобы лучше видеть сцену. Это явление назвали электросольватацией: растворитель не просто смачивает частицу, а создаёт вокруг неё упорядоченную шубу из собственных молекул.
Авторы работы применили нелокальную диэлектрическую теорию, которая учитывает, что поляризация в одной точке жидкости влияет на соседние области — как волна, бегущая по трибунам стадиона, когда каждый встаёт вслед за соседом. В такой картине взаимодействие определяется не только самими зарядами, но и тем, насколько сильно среда способна передавать поляризацию. Если две частицы с одинаковым зарядом окружены одинаково ориентированными молекулами воды, эти «шубы» могут слипнуться, как два куска липучки, преодолевая электрическое отталкивание. Наоборот, разноимённо заряженные поверхности могут оказаться в «шубах» с противоположной ориентацией, и тогда молекулярный слой работает как пружина, не дающая частицам сблизиться.
Такой механизм способен объяснить давние загадки: почему биологические молекулы, например белки, несущие одинаковый заряд, всё равно собираются в комки в водном окружении; или почему в реках и океанах взвешенные частицы ила слипаются и оседают на дно — процесс, который раньше приписывали только слабым силам притяжения между нейтральными атомами. Расчёты показывают, что даже при очень скромной длине корреляции поляризации (всего 2 ангстрема) биомолекулы с одинаковым зарядом будут притягиваться в солёной воде.
Так обычная вода перестаёт быть просто прозрачным наполнителем. Она оказывается активным игроком, который своими молекулярными перестроениями управляет танцем заряженных частиц. И то, что раньше казалось нарушением законов физики, становится естественным следствием коллективного поведения миллиардов крошечных диполей.
Эффект упорядочивания молекул воды на поверхности настолько силён, что на границе с воздухом вода создаёт упругую плёнку — именно она позволяет водомерке скользить по поверхности пруда, не проваливаясь.
В романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки» вымышленное вещество «лёд-девять» заставляло всю воду перестраиваться в твёрдую форму при контакте — фантастический пример того, как одна молекулярная структура может диктовать поведение всей жидкости.