Уперше розкрито квантовий секрет рідкої води: що виявили вчені

Водневі зв’язки, які утворюють молекули води, відповідають за багато властивостей, які роблять воду унікальною рідиною. Але досі вчені не повністю розуміють процеси, що лежать в основі цих зв’язків. Річ у тім, що водневі зв’язки в рідкій воді існують недовго — всього одну мільйонну мільйонної частки секунди. Ці зв’язки постійно утворюються і розриваються через рух молекул води. Цей факт ускладнює вивчення водневих зв’язків. Але швейцарські вчені розробили новий метод, який дає змогу добре вивчити електронні та ядерні квантові ефекти водневих зв’язків рідкої води. Новий метод називається корельованою коливальною спектроскопією (CVS) і він може нарешті розкрити, які фактори роблять мережі водневих зв’язків у воді такою потужною і загадковою силою. Дослідження опубліковано в журналі Science, пише Interesting Engineering.

 

Не всі молекули води беруть участь у взаємодіях мереж водневих зв’язків. CVS спочатку ідентифікує і розділяє взаємодіючі та невзаємодіючі молекули. Це відбувається шляхом бомбардування дуже швидкими лазерами молекул води.

У результаті виникають спалахи світла, створювані крихітними рухами в атомах води. Малюнок цього світла показує, як розташовані молекули, а колір світла показує, як рухаються атоми всередині і між молекулами.

За словами вчених, сучасні методи спектроскопії вимірюють розсіювання лазерного світла, викликане вібраціями всіх молекул у системі. Тому доводиться лише здогадуватися, чи пов’язаний малюнок світла з молекулярною взаємодією, що цікавить.

За допомогою CVS вчені побачили різні типи молекул води, які створюють різний коливальний малюнок. Ці малюнки показують, як конкретна молекула рухається вздовж водневих зв’язків, що дає змогу безпосередньо вимірювати, скільки заряду розподіляється між атомами водню і кисню, які утворюють водневі зв’язки, і наскільки міцними є ці зв’язки.

Автори дослідження кажуть, що розподіл заряду є ключовою особливістю мережі водневих зв’язків, яка надає рідкій воді її унікальних властивостей. Але про квантові явища, що лежать в основі водневих зв’язків у воді, раніше вчені мали уявлення лише за допомогою теоретичного моделювання. Тепер же вперше з’явився метод для дослідження цього явища та різних інших аспектів водневого зв’язку в рідкій воді.

Метод CVS дав змогу вченим вивчити зміни молекул води у квантовому масштабі. Відомо, що при додаванні іонів OH у воду вона стає лужною, а додавання протонів робить воду кислою. За словами вчених, за допомогою нового методу вони змогли точно визначити, скільки додаткового заряду іони віддають мережам водневих зв’язків (8%) і скільки заряду приймають від них протони (4%). Таких точних вимірювань не отримували вчені ніколи раніше.

Вчені вважають, що CVS можна використовувати також для вивчення інших хімічних речовин на молекулярному рівні. Таким чином можна розкрити багато квантових секретів інших рідин.