Ученые раскрыли таинственные квантовые секреты воды

Исследователи Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) впервые напрямую зафиксировали взаимодействие молекул воды на уровне водородных связей. Работа ученых раскрывает детали электронных и ядерных квантовых эффектов в воде, ранее доступных только через теоретические симуляции.

Вода, одна из ключевых субстанций на Земле, обязана своими уникальными свойствами водородным связям, которые формируются между молекулами H₂O. В процессе такого взаимодействия атомы кислорода и водорода обмениваются электронным зарядом, создавая трехмерную сеть, влияющую на плотность, текучесть и другие характеристики воды. Ранее квантовые явления, связанные с этим обменом, можно было изучать только через модели и симуляции.

Вода

Ученым из EPFL удалось напрямую наблюдать эти эффекты с помощью нового метода, получившего название коррелированной вибрационной спектроскопии (CVS), который позволяет различать молекулы, которые принимают или не принимают участие в образовании водородных связей. Традиционные методы спектроскопии регистрируют вибрации всех молекул сразу, но CVS позволяет получать индивидуальные спектры для каждой молекулы. Это помогает точно измерять количество заряда, участвующего в водородных связях, а также оценивать их прочность.

Автор работы Сильви Рок объясняет: «Стандартные методы спектроскопии фиксируют все молекулы системы, что затрудняет понимание реальных молекулярных взаимодействий. CVS же создает уникальный спектр для каждой молекулы, позволяя нам видеть, как молекулы воды двигаются вдоль водородных связей, и измерять их квантовые свойства».

Метод CVS включает использование ультракоротких, длящихся в течение одной квадриллионной доли секунды, лазерных импульсов в инфракрасном диапазоне. Эти импульсы заставляют атомы колебаться и испускать свет, при этом можно отделить спектры свечения взаимодействующих и не взаимодействующих молекул. Это позволяет получать уникальные данные расположении молекул в пространстве и движении атомов.

CVS также может помочь определить влияние других ионов и соединений на водородные связи в воде. Например, в процессе экспериментов исследователи делали воду более щелочной, добавляя гидроксид-ион или более кислой, добавляя протон. Изменение pH позволило измерить, сколько заряда в водородной связи может передавать гидроксид-ион, или принимать протон, что ранее было невозможно определить экспериментально.

По словам специалистов, CVS — это универсальный метод, который можно применять не только для воды, но и для любых других материалов и растворов. «Метод CVS открывает новые возможности для детального молекулярного анализа растворов электролитов, сахаров, аминокислот», — отмечает Рок.

Ранее стало известно, что студентка разработала новый метод опреснения воды и получила за него награду.