Ученые обнаружили “квантовый буксир” между соседними молекулами воды

Вода – самая распространенная, но наименее изученная жидкость в природе. Он демонстрирует множество странных форм поведения, которые ученые до сих пор не могут объяснить. Хотя большинство жидкостей становятся плотнее по мере того, как они становятся холоднее, вода наиболее плотная при температуре 39 градусов по Фаренгейту, чуть выше точки замерзания. Вот почему лед плавает до верхней части стакана, а озера замерзают с поверхности, позволяя морским обитателям выжить в холодные зимы. Вода также обладает необычно высоким поверхностным натяжением, позволяющим насекомым ходить по ее поверхности, и большой способностью накапливать тепло, поддерживая стабильную температуру океана.


Теперь команда, в которую входят исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета в Швеции, сделала первое прямое наблюдение того, как атомы водорода в х воды тянут и толкают соседние молекулы воды, когда они возбуждаются лазерным светом. . Их результаты, опубликованные в Природа сегодня выявить эффекты, которые могут лежать в основе ключевых аспектов микроскопического происхождения странных свойств воды и могут привести к лучшему пониманию того, как вода помогает белкам функционировать в живых организмах.

«Хотя предполагалось, что этот так называемый ядерный квантовый эффект лежит в основе многих странных свойств воды, этот эксперимент является первым случаем, когда его наблюдали напрямую», – сказал сотрудник исследования Андерс Нильссон, профессор химической физики из Стокгольма. Университет. «Вопрос в том, может ли этот квантовый эффект быть недостающим звеном в теоретических моделях, описывающих аномальные свойства воды».

Каждая молекула воды содержит 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 их все вместе. Эта запутанная сеть является движущей силой многих необъяснимых свойств воды, но до недавнего времени исследователи не могли напрямую наблюдать, как молекула воды взаимодействует со своими соседями.

«Малая масса атомов водорода подчеркивает их квантово-волновое поведение», – сказала соавтор Келли Гаффни, ученый из Стэнфордского института пульса в SLAC. “Это исследование является первым, кто напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода расположены на расстоянии друг от друга, что, как уже давно предполагалось, является причиной уникальных свойств. воды и ее сети водородных связей “.

Возлюби ближнего твоего

До сих пор сделать это наблюдение было непросто, потому что движения водородных связей настолько крошечные и быстрые. В этом эксперименте эта проблема была решена за счет использования MeV-UED SLAC, высокоскоростной «электронной камеры», которая обнаруживает малозаметные движения молекул путем рассеивания мощного пучка электронов от образцов.

Исследовательская группа создала струи жидкой воды толщиной 100 нанометров – примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса – и заставила молекулы воды вибрировать с помощью инфракрасного лазерного света. Затем они взорвали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов от МэВ-УЭД.

В результате были получены снимки с высоким разрешением изменяющейся атомной структуры молекул, которые они объединили в покадровый фильм, показывающий, как сеть молекул воды реагирует на свет.