Учеными из США и Швеции впервые проведено прямое наблюдение за тем, как атомы водорода в молекулах воды взаимодействуют с другими молекулами при возбуждении лазерным светом.
С помощью сверхбыстрой электронно-дифракционной камеры были сделаны снимки движения водородных связей в молекулах воды. Именно эти связи создают в жидкости необычные квантовые явления. Результаты этого исследования приближают к пониманию важных характеристик воды, играющих значимую роль в химических и биологических процессах.
Известно, что в каждой молекуле воды содержится один атом кислорода и два атома водорода, а сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних молекулах удерживает молекулы вместе.
В новом исследовании впервые выявлено, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода распределены в пространстве.
Сообщается, что профессионалы использовали высокоскоростную сверхбыструю электронно-дифракционную камеру, создав с её помощью слои воды толщиной 100 нм и заставив молекулы вибрировать под воздействием инфракрасного лазера, а потом разрушали их короткими импульсами высокоэнергетических электронов от SLAC MeV-UED. В итоге получался снимок изменяющейся атомной структуры. Затем все снимки объединили в фильм о реагировании системы молекул воды на свет.
При возбуждении молекула начинает колебаться, ее атомы водорода притягивают атомы кислорода из соседних молекул воды. А потом снова отталкивают их, таким образом сужая и расширяя пространство между молекулами.
«Хотя предполагалось, что в основе многих странных свойств воды лежит так называемый ядерный квантовый эффект, наш эксперимент стал первым случаем его прямого наблюдения. Вопрос в том, может ли этот квантовый эффект быть недостающим звеном в теоретических моделях, описывающих аномальные свойства воды». – рассказывают учёные.
Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы). Исключительно важна её роль в глобальном кругообороте вещества и энергии, возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
Подробнее об этом можно прочитать в журнале Nature.
