Вода необходима для жизни, но водородная связь — важнейшее взаимодействие, объединяющее молекулы H2O — остается сложной и не до конца изученной.
Водородные связи возникают, когда атомы водорода и кислорода в молекулах воды взаимодействуют, разделяя электронный заряд. Это разделение заряда создает трехмерную сеть водородных связей, которая придает жидкой воде уникальные свойства.
Однако теоретическое моделирование в первую очередь изучало квантовые явления, лежащие в основе этих сетей. Исследователи из EPFL разработали новый метод, называемый коррелированной колебательной спектроскопией (CVS), который измеряет поведение молекул воды в сетях водородных связей.
CVS позволяет ученым различать взаимодействующие (связанные водородом) молекулы и случайно распределенные, невзаимодействующие молекулы. Это важно, поскольку существующие методы не могут различать эти два типа, поэтому вместо этого предоставляются смешанные измерения.
Современные методы спектроскопии обнаруживают рассеяние лазерного света, вызванное молекулярными колебаниями, что требует предположений о том, какие взаимодействия наблюдаются.
Каждый тип молекулы с CVS имеет свой собственный колебательный спектр, характеризующийся уникальными пиками. Примечательно, что один пик соответствует движению молекул воды вдоль водородных связей, что позволяет напрямую измерять такие свойства, как общий электронный заряд и прочность водородных связей.
Чтобы отличить взаимодействующие и невзаимодействующие молекулы, исследователи освещали жидкую воду фемтосекундными лазерными импульсами в ближнем инфракрасном спектре. Эти короткие световые вспышки генерировали крошечные колебания заряда и атомные смещения, что приводило к излучению видимого света.
Картина рассеяния испускаемого света раскрывает информацию о пространственной организации молекул, а цвет фотонов указывает на атомные смещения внутри молекул и между ними.
«Обычные эксперименты размещают спектрографический детектор под углом 90 градусов к входящему лазерному лучу, но мы поняли, что можем исследовать взаимодействующие молекулы, просто изменяя положение детектора и записывая спектры, используя определенные комбинации поляризованного света. Таким образом, мы можем создавать отдельные спектры для невзаимодействующих и взаимодействующих молекул» — говорят ученые.
Исследователи провели дополнительные эксперименты CVS для анализа электронных и ядерных квантовых эффектов сетей водородных связей. Они изменяли pH воды, добавляя гидроксид-ионы, чтобы сделать ее более щелочной, или протоны, чтобы увеличить кислотность, что позволило им изучить влияние этих изменений на динамику водородных связей.
«Гидроксид-ионы и протоны участвуют в образовании водородных связей, поэтому изменение pH воды изменяет ее реакционную способность. С помощью CVS мы теперь можем точно определить, сколько дополнительного заряда гидроксид-ионы отдают сетям водородных связей (8%) и сколько заряда принимают от них протоны (4%) — точные измерения, которые никогда не могли быть сделаны экспериментально ранее».
Исследователи подчеркивают, что их метод, подтвержденный теоретическими расчетами, может быть применен к любому материалу. Несколько новых экспериментов по характеризации с использованием этой техники уже проводятся.
«Возможность количественной оценки прочности водородных связей напрямую является мощным методом, который можно использовать для уточнения деталей на молекулярном уровне любого раствора, например, содержащего электролиты, сахара, аминокислоты, ДНК или белки» — объясняют ученые.
«Поскольку CVS не ограничивается водой, он также может предоставлять информацию о других жидкостях, системах и процессах».