Ученые засняли движение водородных связей
Ученые из США и Швеции с помощью сверхбыстрой электронно-дифракционной камеры сделали снимки движения водородных связей в молекулах воды. Именно эти связи обеспечивают жидкости ее необычные квантовые свойства. Результаты работы приближают понимание характеристик воды, играющих важнейшую роль во множестве важных химических и биологических процессов. Статья опубликована в журнале Nature.
Вода — самая распространенная жидкость в природе, однако она все еще остается недостаточно изученной. Она демонстрирует множество странных свойств, которые ученые до сих пор не могут точно объяснить. Например, большинство жидкостей становятся плотнее по мере охлаждения, но вода наиболее плотная при температуре около 4 °С. Кроме того, она имеет необычно высокое поверхностное натяжении и обладает способностью хорошо аккумулировать тепло. Теперь ученые из Стэнфордского и Стокгольмского университетов провели первые прямые наблюдения за взаимодействием молекул воды друг с другом.
«Хотя предполагалось, что в основе многих странных свойств воды лежит так называемый ядерный квантовый эффект, наш эксперимент стал первым случаем его прямого наблюдения, — говорит соавтор исследования Андерс Нильссон. — Вопрос в том, может ли этот квантовый эффект быть недостающим звеном в теоретических моделях, описывающих аномальные свойства воды».
Каждая молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Между положительно заряженными водородами одной молекулы и отрицательно заряженными кислородами в соседних молекулах образуются водородные связи, удерживающие их вместе.
Авторы использовали высокоскоростную сверхбыструю электронно-дифракционную камеру. Они создали слои воды толщиной 100 нм и заставили молекулы вибрировать с помощью инфракрасного лазера, а затем разрушали их короткими импульсами высокоэнергетических электронов от SLAC MeV-UED. В этот момент получался снимок изменяющейся атомной структуры. Впоследствии снимки были объединены в фильм о том, как система молекул воды реагирует на свет. При возбуждении молекула начинает колебаться, а ее атомы водорода притягивают атомы кислорода из соседних молекул воды. А потом снова отталкивают их, таким образом сужая и расширяя пространство между молекулами.