Впервые раскрыт квантовый секрет жидкой воды: что обнаружили ученые

Фото: interestingengineering.com

Водородные связи, которые образуют молекулы воды, отвечают за многие свойства, которые делают воду уникальной жидкостью. Но до сих пор ученые не полностью понимают процессы, лежащие в основе этих связей. Дело в том, что водородные связи в жидкой воде существуют недолго – всего одну миллионную миллионной доли секунды. Эти связи постоянно образуются и разрываются из-за движения молекул воды. Данный факт усложняет изучение водородных связей. Но швейцарские ученые разработали новый метод, который позволяет хорошо изучить электронные и ядерные квантовые эффекты водородных связей жидкой воды. Новый метод называется коррелированной колебательной спектроскопией (CVS) и он может наконец раскрыть, какие факторы делают сети водородных связей в воде такой мощной и загадочной силой. Исследование опубликовано в журнале Science, пишет Interesting Engineering.

Не все молекулы воды участвуют во взаимодействиях сетей водородных связей. CVS сначала идентифицирует и разделяет взаимодействующие и невзаимодействующие молекулы. Это происходит путем бомбардировки очень быстрыми лазерами молекул воды.

В результате возникают вспышки света, создаваемые крошечными движениями в атомах воды. Рисунок этого света показывает, как расположены молекулы, а цвет света показывает, как движутся атомы внутри и между молекулами.

По словам ученых, современные методы спектроскопии измеряют рассеивание лазерного света, вызванное вибрациями всех молекул в системе. Поэтому приходится лишь догадываться, связан ли рисунок света с интересующим молекулярным взаимодействием.

С помощью CVS ученые увидели разные типы молекул воды, которые создают разный колебательный рисунок. Эти рисунки показывают, как конкретная молекула движется вдоль водородных связей, что позволяет напрямую измерять сколько заряда распределяется между атомами водорода и кислорода, которые образуют водородные связи, и насколько прочными являются эти связи.

Авторы исследования говорят, что распределение заряда является ключевой особенностью сети водородных связей, которая придает жидкой воде ее уникальные свойств. Но о квантовых явлениях, лежащих в основе водородных связей в воде ранее ученые имели представление только с помощью теоретического моделирования. Теперь же впервые появился метод для исследования этого явления и различных других аспектов водородной связи в жидкой воде.

Метод CVS позволил ученым изучить изменения молекул воды в квантовом масштабе. Известно, что при добавлении ионов OH в воду она становится щелочной, а добавление протонов делает воду кислой. По словам ученых, с помощью нового метода они смогли точно определить, сколько дополнительного заряда ионы отдают сетям водородных связей (8%) и сколько заряда принимают от них протоны (4%). Таких точных измерений не получали ученые никогда раньше.

Ученые считают, что CVS можно использовать также для изучения других химических веществ на молекулярном уровне. Таким образом можно раскрыть много квантовых секретов других жидкостей.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform