Международная группа физиков-экспериментаторов из США и Швеции впервые напрямую наблюдала, как атомы водорода в молекулах воды тянут и толкают соседние молекулы, когда они возбуждаются лазерным светом.
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 физики не могли напрямую наблюдать, как молекула воды взаимодействует со своими соседями.
«Малая масса атомов водорода усиливает их квантово-волновое поведение», — говорят ученые.
«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 свойства воды и ее сети водородных связей».
До сих пор сделать это наблюдение было непросто, потому что движения водородных связей очень крошечные и очень быстрые.
В новом эксперименте эта проблема была решена за счет использования SLAC MeV-UED, высокоскоростной «электронной камеры», которая обнаруживает малозаметные движения молекул путем рассеивания мощного пучка электронов от образцов.
Авторы эксперимента создали струи жидкой воды толщиной 100 нм и заставили молекулы воды вибрировать с помощью инфракрасного лазерного света.
Затем они взорвали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов. 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.
Смотрите также: Ученые доказали, что вода имеет несколько жидких состоянийСнимки, 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.
«Хотя предполагалось, что так называемый ядерный квантовый эффект лежит в основе многих странных свойств воды, этот эксперимент является первым случаем, когда его наблюдали напрямую», — сказал профессор Андерс Нильссон, исследователь из Стокгольмского университета.
Анимация показывает, как молекула воды реагирует на попадание лазерного света. Когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атом водорода (белый) притягивает атомы кислорода (красный) к соседним молекулам воды ближе, прежде чем оттолкнуть 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.
«В течение долгого времени исследователи пытались понять сеть водородных связей, используя методы спектроскопии. Прелесть этого эксперимента в том, что мы впервые смогли напрямую наблюдать, как движутся эти молекулы».
Результаты опубликованы в журнале Nature.