Физикам впервые удалось наблюдать движения атомов в молекулах воды

Взаимодействие возбужденных атомов водорода в молекуле воды с соседними молекулами впервые удалось наблюдать ученым Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, пишут авторы исследования 25 августа в статье в научном издании Nature.

Квантово-механические взаимодействия возбужденных атомов водорода в молекуле воды с соседними молекулами являются основой водородных связей, обеспечивающих многие уникальные физико-химические свойства жидкой воды. Ученым пока не до конца ясен механизм возникновения таких связей.

Коллектив экспериментаторов из нескольких университетов США и Швеции, работавший в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета, использовал высокоскоростную электронную камеру MeV-UED SLAC. Это устройство позволяет обнаруживать мельчайшие колебания молекул благодаря рассеиванию мощного пучка электронов от исследуемых образцов.

Физики создавали струи воды толщиной 100 нанометров и направляли на них пучки инфракрасного лазера, что приводило к вибрации молекул жидкости. Затем молекулы взрывали короткими импульсами высокоэнергетических электронов, выпущенными MeV-UED SLAC. Эксперимент позволил ученым получить снимки высокого разрешения, на которых запечатлена изменяющаяся атомная структура молекул. Авторы исследования объединили последовательные кадры в фильм, позволяющий разглядеть реагирование молекул воды на свет.

В фокус камеры поместили группу из трех молекул. Исследование позволило установить, что вибрации возбужденной молекулы воды сопровождаются притягиванием ее атомом водорода на время около 80 фемтосекунд атома кислорода к соседним молекулам. Затем происходит отталкивание, расширяющее пространство между молекулами. На этапе сближения водородная связь сокращается на 0,04 ангстрема и возникает небольшой нагрев. который длится одну пикосекунду.

Исходя из наблюдений, ученые могут описать картину следующим образом: атомы водорода в молекулах воды постоянно притягивают и отталкивают соседние молекулы. Сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода одной молекулы и отрицательно заряженными атомами кислорода соседних позволяет им удерживаться вместе, но вибрации происходят непрерывно.

Главным результатом эксперимента стала прямая демонстрация реакции сети водородных связей в воде на импульс энергии и фиксация квантово-механической природы распределения и взаимосвязи атомов водорода в воде. Именно квантово-механической сетью атомов водорода, считают ученые, определяются многие свойства воды, которые ранее не удавалось объяснить.