Впервые физики обнаружили квантовое свойство, делающее воду странной

Хотя физикам известно, что явление водородных связей играет ключевую роль во многих странных и удивительных конфигурациях воды, некоторые детали того, как именно это работает, остаются довольно расплывчатыми.

Международная группа исследователей применила новый подход к отображению положения частиц, составляющих жидкую воду, фиксируя их размытость с фемтосекундной точностью, чтобы показать, как водород и кислород сталкиваются в молекулах воды.

Их результаты могут не помочь нам приготовить лучшую чашку чая, но они имеют большое значение в конкретизации квантового моделирования водородных связей, потенциально улучшая теории, объясняющие, почему вода - столь важная для жизни, какой мы ее знаем - обладает такими интригующими свойствами.

"Это действительно открыло новое окно для изучения воды", - говорит Сицзе Ван, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США.

"Теперь, когда мы, наконец, можем увидеть движение водородных связей, мы хотели бы связать эти движения с более широкой картиной, которая могла бы пролить свет на то, как вода привела к возникновению и выживанию жизни на Земле, и сообщить о развитии методов возобновляемой энергии".

По отдельности отдельная молекула воды - это трехсторонняя битва за электроны между двумя атомами водорода и единственным кислородом.

Имея гораздо больше протонов, чем пара его приятелей, кислород получает немного больше любви молекулы к электронам. В результате у каждого водорода остается немного больше времени, свободного от электронов, чем обычно. Крошечные атомы не всегда остаются положительно заряженными, но это делает молекулу V-образной формы с пологим наклоном слегка положительных кончиков и слегка отрицательным ядром.

Бросьте некоторое количество этих молекул вместе с достаточной энергией, и небольшие изменения в заряде будут располагаться соответствующим образом, при этом одни и те же заряды будут раздвигаться, а разные заряды собираются вместе.

Хотя все это может показаться достаточно простым, движок, стоящий за этим процессом, совсем не прост. Электроны перемещаются под действием различных квантовых законов, а это означает, что чем ближе мы смотрим, тем меньше мы можем быть уверены в определенных свойствах.

Раньше физики полагались на сверхбыструю спектроскопию, чтобы понять, как электроны движутся в водном хаотическом перетягивании каната, улавливая фотоны света и анализируя их сигнатуру, чтобы отобразить положение электронов.

К сожалению, при этом не учитывается важная часть декорации - сами атомы. Вдали от пассивных наблюдателей, они также изгибаются и колеблются по отношению к квантовым силам, перемещающимся вокруг них.

"Малая масса атомов водорода усиливает их квантово-волновое поведение", - говорит физик SLAC Келли Гаффни.

Анимация показывает, как молекула воды реагирует на попадание лазерного света. Когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атомы водорода (белые) притягивают атомы кислорода (красные) к соседним молекулам воды ближе, прежде чем отталкивать их, расширяя пространство между молекулами.

Чтобы понять устройство атома, команда использовала так называемый мегаэлектронвольтный сверхбыстрый прибор для дифракции электронов, или MeV-UED . Это устройство в Национальной ускорительной лаборатории SLAC осушает воду электронами, которые несут важную информацию о расположении атомов, когда они рикошетируют от молекул.

Имея достаточно снимков, можно было построить изображение с высоким разрешением колебания водорода, когда молекулы изгибаются и изгибаются вокруг них, показывая, как они тянут кислород от соседних молекул к себе, прежде чем снова яростно оттолкнуть их обратно.

"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 долгое время считалось ответственным за уникальные атрибуты. воды и ее сети водородных связей", - говорит Гаффни.

Теперь, когда доказано, что инструмент работает в принципе, исследователи могут использовать его для изучения турбулентного вальса молекул воды при повышении давления и понижении температуры, наблюдая, как он реагирует на органические растворенные вещества, способствующие созданию жизни, или образует новые удивительные фазы в экзотических условиях.

Напомним, ранее сообщалось, что физики открыли новую экзотическую частицу.

Источник