Ученые зафиксировали «квантовый буксир» между соседними молекулами воды

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.

Исследователи впервые наблюдали движение атомов в молекулах жидкой воды, возбужденных лазерным светом. Их результаты показывают эффекты, которые могут лежать в основе микроскопического происхождения странных свойств воды. 

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 молекулах 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 усиливает их квантово-волновое поведение», — сказала соавтор Келли Гаффни, ученый из Стэнфордского института пульса в SLAC. «Это исследование является первым, которое напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода разнесены, что долгое время считалось ответственным за уникальные атрибуты. 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.

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. Этот новый взгляд на эффект, который, как считается, стоит за многими странными свойствами воды, был создан с помощью «электронной камеры» MeV-UED SLAC, которая взрывает образцы короткими импульсами электронов высокой энергии, чтобы заглянуть внутрь. (Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC)

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.

Снимки, которые были сфокусированы на группах из трех молекул воды, показали, что, когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атом водорода притягивает атомы кислорода к соседним молекулам воды ближе, прежде чем отталкивать их со своей вновь обретенной силой, расширяя пространство между молекулами.

«В течение долгого времени исследователи пытались понять сеть водородных связей с помощью методов спектроскопии», — сказал Цзе Ян, бывший ученый SLAC, а ныне профессор Университета Цинхуа в Китае, который руководил исследованием. «Прелесть этого эксперимента в том, что мы впервые смогли напрямую наблюдать, как движутся эти молекулы».

Окно на воде

Исследователи надеются использовать этот метод, чтобы лучше понять квантовую природу водородных связей и роль, которую они играют в странных свойствах воды, а также ключевую роль, которую эти свойства играют во многих химических и биологических процессах.

«Это действительно открыло новое окно для изучения воды», — сказал Сицзе Ван, выдающийся штатный ученый SLAC и соавтор исследования. «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. . »

MeV-UED — это инструмент пользовательского центра LCLS, управляемый SLAC от имени Управления науки Министерства энергетики США, которое финансировало это исследование.