对磁化水的光谱学和结构研究：氢键重排的证据

埃尔钦·N·哈利洛夫（Elchin N. Khalilov）|赵敏（Zhao Min）|萨菲·阿西姆·本·阿西夫（Safi Asim Bin Asif）|法里德·埃尔钦·哈利洛夫（Farid Elchin Khalilov）|王敏（Wang Min）|徐诺（Xu Nuo）

中国温州温州大学生命与环境科学学院

摘要：

了解磁场如何影响水的分子重组对于阐明其改变的物理化学行为至关重要。在本研究中，水样暴露在0.3 T至1.2 T的动态磁场中，并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、折射率和偏振法对其结构响应进行了检测。FTIR光谱观察到水分子在3280 cm^-1（对称O-H伸缩）和1620 cm^-1（H-O-H弯曲）处有两个明确的振动峰。3280 cm^-1处的宽吸收带代表强氢键作用以及小规模的水分子聚集。此外，通过偏振技术发现，在0.65 T的磁场中制备的果糖溶液的光学旋转变化最大。同时，折射率分析也显示出最大百分比的变化。光谱特征表明氢键强度减弱，分子簇部分重新排列，这与偶极子排列增强和结构熵降低一致。这些发现提供了直接实验证据，证明磁场可以重新组织水的氢键网络，从而改变其溶剂化和氧化还原行为。这项工作加深了对磁化水的理解，突显了其在催化、环境修复和生物分子系统中的潜在应用价值。

引言

由于淡水资源的稀缺，磁处理水（也称为“磁化水”或“MW”）在过去几十年中一直是研究人员和工业界关注的热点，尽管目前对其分子机制尚缺乏深入了解。许多研究者已经描述了磁场对水分子的影响。首次尝试对水进行磁处理的研究可追溯到（3），此后磁化技术得到了快速发展，应用于废水处理（4）、结垢减少（5）、水净化（6）、植物灌溉（7）、植物生长、植物生产力提升（8）以及动物科学（9）等领域。

此前已有两种水磁化方法被报道（10）。一种是静态磁化，即将永久磁体置于装有水的容器周围；另一种是动态磁化，即水通过装有永久磁体的紧密排列的柱子。磁场强度和暴露时间对水分子的性质有显著影响（1）。

Mosin和Ignatov（2014）展示了磁场对水分子结构的直接影响（10）。水分子通过低能量的分子间范德华力（如氢键和偶极-偶极相互作用）结合在一起。这些弱力使水分子保持大簇形态。外部施加的磁场可能破坏这种大簇结构，使其分解为更小的簇，从而导致氢键的重组（11）。

相比之下，Hosoda等人认为在磁场作用下氢键更加稳定，这是水物理化学性质发生变化的主要原因（12）。Chang和Weng利用分子动力学模拟研究了磁场对水分子间氢键的影响（13）。他们发现，随着磁场强度的增加，氢键数量增加，水分子簇的尺寸也随之增大。因此，在磁场作用下水分子排列更加有序且更加稳定。这种有序结构在固态水（冰）中比在液态水中更为明显。此外，将水加热到约50°C会减弱磁场的影响（14）。

本文展示了磁场如何影响水分子的氢键，进而减小水分子簇的尺寸。我们通过三种主要分析技术（傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、偏振法和折射率法）系统地研究了磁场诱导的水分子变化。这些结果提供了实验证据，证明磁场驱动了氢键的重新排列和水分子簇尺寸的减小。这一发现加深了我们对水分子重新排列和重组的基本理解，同时为废水处理和水净化技术开辟了新的途径，这些技术属于联合国可持续发展目标（UN-SDGs）[SDG 6：确保所有人都能获得和可持续管理水和卫生设施]（15）的范畴。

章节摘录

材料与方法

本研究使用了超纯去离子水（ρ=18.2 MΩ·cm）来研究磁化效应及溶液制备。该水由超纯（LC-UPT-PLUS）净水系统（LICHEN Scientific Group, LACHOI Scientific Instrument (Shaoxing) Co., Ltd.，中国）生产。所有FT-IR光谱的采集范围为4000 cm^-1至400 cm^-1，使用的是傅里叶变换红外光谱仪（FTIR-850，天津港东科技有限公司，中国）。

利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）评估磁场对水的影响

图2(a-g)显示了未经磁处理的去离子水（NDW）以及分别通过1M、2M、3M、2M(-)、Hexa和R磁场处理的去离子水的FTIR光谱。磁处理后的去离子水在O-H伸缩振动模式中显示出轻微但明显的红移（能量降低），这归因于氢键相互作用的增强和有序化。更强的氢键使键长延长（见补充信息S-1）。

水磁化的提出机制

由于电负性的差异，水具有偶极矩（1.85 D）。在外部磁场的作用下，这些偶极子会发生重新排列。这一磁化过程增强了氢键网络，使O-H键长度延长，从而降低了振动频率。这一现象通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）得到了证实。氢键的增强使得水分子簇更加稳定、有序且体积更小（五聚体或……）

结论

外部磁场对水的物理性质产生了深远影响，例如FTIR光谱、光学活性和折射率。本研究的关键方面包括氢键相互作用的增强、O-H键长度的增加以及FTIR光谱中观察到的红移。微观层面的影响表现为水分子的重新排列以及形成较小的水分子簇（五聚体或六聚体）。这些结构变化导致了物理性质的改变。

CRediT作者贡献声明

赵敏（Zhao Min）：项目管理。埃尔钦·N·哈利洛夫（Elchin N. Khalilov）：写作、审稿与编辑、监督、软件使用、资源协调、项目管理、概念构思。徐诺（Xu Nuo）：软件使用、资源协调。王敏（Wang Min）：软件使用、资源协调。法里德·埃尔钦·哈利洛夫（Farid Elchin Khalilov）：软件使用、资源协调、写作、审稿与编辑、原始稿撰写、可视化处理、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。萨菲·阿西姆·本·阿西夫（Safi Asim Bin Asif）：写作、审稿与编辑、原始稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源协调、方法论设计、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。