Описание структуры и спектров жидкой воды в терминах межмолекулярных взаимодействий ансамбля неэквивалентных молекул (континуальная модель). Исследование строения жидкой воды по рейтингу журнала Science (2005) вошло в первую десятку “прорывных” работ предыдущего года. Общепринятой модели её строения до сих пор нет.

Поиск взаимосвязей между структурными, энергетическими и спектроскопическими характеристиками водородных связей молекул воды. Разработка методов количественного описания различных физико-химических проявлений водородной связи, как структурообразующего фактора жидкой воды.

А) Флуктуационная теория водородной связи, развитая авторами для интерпретации и количественного описания спектров полудейтерированной воды. Здесь эта теория применена для вычисления вклада водородных связей в термодинамические функций непосредственно из экспериментальных спектров.

Б) Переход от традиционных (унарных) функций распределения к одновременному рассмотрению свойств обеих водородных связей, образуемых ОН-группами молекулы Н₂О, позволил прояснить давно дискутируемый вопрос об асимметрии молекул воды в жидкости и её проявлениях в эксперименте.

В) Метод расчёта спектров для системы трёх связанных осцилляторов с распределёнными параметрами. За рубежом аналогичная задача решена пока только для двух осцилляторов, что недостаточно для применения к воде.

1. Недавно установленная корреляция между длинами связи водородной (R_H…O ) и ковалентной (r_O-H) в водородном мостике O-H…O объяснена симбатным влиянием Н-связи на внутри- и межмолекулярные расстояния. Аналитическая форма этой зависимости получена не путём подгонки к опубликованным экспериментальным точкам, а объединением двух других известных в спектроскопии зависимостей. Она позволяет из легко доступных распределений межмолекулярных расстояний R_O…O вычислять распределения длин внутримолекулярных связей r_O-H с точностью, превышающей современный нейтронный эксперимент в жидкости. Кроме прямого предназначения – расчёта дисперсии длин валентных связей в неупорядоченных средах она позволяет тестировать входящие в практику компьютерного моделирования “мягкие” потенциалы межмолекулярного взаимодействия.
2. Подтверждена асимметричность геометрии большинства молекул воды в жидкости, что отчётливо проявляется в спектрах изотропного КРС; вычислена степень этой асимметрии в статистическом ансамбле молекул при различных температурах. Анализ бинарных распределений энергий показал, что: а) Молекулы воды максимально асимметричны при 32-42^оС, а не при 100 ^оС, как утверждается в “прорывной” работе (см. п. 1); 2) при отрицательных температурах молекулам жидкой воды энергетически невыгодно оставаться асимметричными, что объясняет её кристаллизацию (коллективный переход к симметричной конфигурации молекул) именно при 0^оС.
3. Прямым расчётом показано, что справедливая для кристаллов зависимость между частотами валентного и деформационного колебаний молекулы воды при изменении силы Н-связи неприменима к жидкости. Учёт этого факта необходим при расчётах и интерпретации спектров жидких Н₂О или D₂O в рамках любой модели.
4. Из температурной эволюции статистических распределений колебательных частот рассчитан вклад водородных связей в термодинамические функции воды, оценен вклад Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Это - первая успешная демонстрация единства спектроскопических и энергетических свойств Н-связей в воде, она открывает возможность построения потенциала водородной связи с учётом её известных спектроскопических проявлений.