Извършено е първото директно наблюдение на атомното движение в течни молекули вода, възбудени с лазерна светлина. Работата хвърля светлина върху мрежата от водородни връзки, която придава на водата нейните странни свойства, които играят жизненоважна роля в много химични и биологични процеси.
Водата е най-разпространената, но най-малко разбираема течност в природата. Тя показва много странни поведения, които учените все още се опитват да обяснят. Докато повечето течности стават по-плътни, когато станат по-студени, водата е най-плътна при 4 градуса по Целзий, малко над точката на замръзване.
Ето защо ледът плува отгоре в чаша с вода и езерата замръзват от повърхността надолу, което позволява на морския живот да оцелее в студените зими. Водата също така има необичайно високо повърхностно напрежение, което позволява на насекомите да ходят по повърхността й, и голям капацитет за съхранение на топлина, поддържайки температурата на океана стабилна.
Сега екип, който включва изследователи от Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката, Станфордския университет и Стокхолмския университет в Швеция, направи първото директно наблюдение за това как водородните атоми във водните молекули придърпват и изтласкват съседните водни молекули, когато се възбуждат с лазерна светлина.
Техните резултати, публикувани в Nature на 25 август 2021 г., разкриват ефекти, които биха могли да подкрепят ключови аспекти на произхода на странните свойства на водата на микро ниво и биха могли да доведат до по-добро разбиране за това как водата помага на протеините да функционират в живите организми.
За тези експерименти изследователският екип (отляво надясно: Xiaozhe Shen, Pedro Nunes, Jie Yang и Xijie Wang) използва SLAC MeV-UED, високоскоростна „електронна камера“, която използва мощен лъч от електрони за откриване на фини молекулярни движения в проби. Кредит: Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
„Въпреки че се предполага, че този т. нар. ядрен квантов ефект е в основата на много от странните свойства на водата, този експеримент бележи първото директно наблюдение“, коментира участникът в изследването Андерс Нилсон (Anders Nilsson), професор по физикохимия в Стокхолмския университет. "Въпросът е дали този квантов ефект може да бъде липсващото звено в теоретичните модели, описващи аномалните свойства на водата".
Всяка водна молекула съдържа един кислороден атом и два водородни атома, а мрежа от водородни връзки между положително заредените водородни атоми в една молекула и отрицателно заредените кислородни атоми в съседните молекули ги държи заедно. Тази сложна мрежа е механизмът на много от необяснимите свойства на водата, но доскоро изследователите не можеха да наблюдават директно как молекулата на водата взаимодейства със съседите си.
„Ниската маса на водородните атоми подчертава тяхното поведение, подобно на квантовите вълни“, обяснява сътрудникът Кели Гафни (Kelly Gaffney), учен от SLAC и Stanford Pulse Institute. „Това изследване е първото, което директно демонстрира, че реакцията на мрежата от водородни връзки на импулс от енергия зависи критично от квантовомеханичната природа на това как са разположени водородните атоми, което отдавна се предполага, че е отговорно за уникалните свойства на водата и нейната мрежа от водородни връзки".
Обичай ближния си
Досега това наблюдение бе предизвикателство, тъй като движенията на водородните връзки са толкова малки и бързи. Този експеримент преодоля този проблем, като използва MeV-UED на SLAC, високоскоростна „електронна камера“, която открива фини молекулни движения чрез разсейване на мощен лъч от електрони от пробите.
Изследователският екип създава струи течна вода с дебелина 100 нанометра - около 1000 пъти по-тънки от ширината на човешки косъм-и настройва молекулите на водата да вибрират с инфрачервена лазерна светлина. След това те стрелят в молекулите с къси импулси на високоенергийни електрони от MeV-UED.
Анимацията показва как реагира една водна молекула като бъде ударена с лазерна светлина. Тъй като възбудената водна молекула започва да вибрира, нейнитте водородни атоми (в бяло) издърпват кислородните атоми (в червено) от съседните водни молекули по-близо, преди да ги избута обратно, разширявайки пространство между молекулите. Този нов възглед за ефекта, който се смята, че стои зад много от странните свойства на водата, е създаден с „електронната камера“ на SLAC MeV-UED, която стреля по проби с къси импулси от високоенергийни електрони, за да се наблюдава какво се случва вътре в пробите. Кредит: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Камерата създава изображения с висока разделителна способност на променящата се атомна структура на молекулите, а авторите на изследването ги сглобяват във филм, показващ как мрежата от водни молекули реагира на светлината.
Снимките, фокусирани върху групи от три водни молекули, разкриват, че когато възбудената водна молекула започне да вибрира, водородният й атом придърпва кислородните атоми от съседните водни молекули по-близо, преди да ги отблъсне с придадената му допълнителна нова сила, разширявайки пространството между молекулите.
„От дълго време изследователите се опитват да разберат мрежата от водородни връзки, използвайки техники на спектроскопия“, разказва Дзие Ян (Jie Yang), бивш учен от SLAC, а сега професор в Университета Tsinghua в Китай, който ръководи изследването. "Красотата на този експеримент е, че за първи път успяхме да наблюдаваме директно как се движат тези молекули."
Прозорец към водата
Изследователите се надяват да използват този метод, за да получат по-добра представа за квантовата природа на водородните връзки и тяхната роля в странните свойства на водата, както и ключовата роля, която тези свойства играят в много химични и биологични процеси.
„Това наистина отвори нов прозорец за изучаване на водата“, коментира Сидзие Уан (Xijie Wang), изявен учен от SLAC и сътрудник в изследването. „Сега, когато най-накрая можем да видим движението на водородните връзки, бихме искали да свържем тези движения с по-широката картина, която би могла да хвърли светлина върху това как водата е довела до възникването и оцеляването на живота на Земята и да ни подскаже за развитието на нови методи за възобновяема енергия”.
Справка: Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
DOI: 10.1038/s41586-021-03793-9
Източник: Origin of Water’s Strange Properties: Scientists Capture a “Quantum Tug” Between Neighboring Water Molecules, SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари