Хоча фізикам відомо, що явище водневих зв’язків відіграє ключову роль у багатьох дивних і дивовижних конфігураціях води, деякі деталі того, як саме це працює, залишаються досить розпливчастими.

Міжнародна група дослідників застосувала новий підхід до відображення положення частинок, що складають рідку воду, фіксуючи їх розмитість з фемтосекундною точністю, щоб показати, як водень і кисень стикаються в молекулах води.

Їх результати можуть не допомогти нам приготувати кращу чашку чаю, але вони мають велике значення в конкретизації квантового моделювання водневих зв’язків, потенційно покращуючи теорії, що пояснюють, чому вода – настільки важлива для життя, якою ми її знаємо – володіє такими інтригуючими властивостями.

“це дійсно відкрило нове вікно для вивчення води”, – говорить сіцзе ван, фізик з національної прискорювальної лабораторії slac міністерства енергетики сша.

“тепер, коли ми, нарешті, можемо побачити рух водневих зв’язків, ми хотіли б пов’язати ці рухи з більш широкою картиною, яка могла б пролити світло на те, як вода призвела до виникнення і виживання життя на землі, і повідомити про розвиток методів відновлюваної енергії”.

Окремо окрема молекула води – це тристороння битва за електрони між двома атомами водню і єдиним киснем.

Маючи набагато більше протонів, ніж пара його приятелів, кисень отримує трохи більше любові молекули до електронів. В результаті у кожного водню залишається трохи більше часу, вільного від електронів, ніж зазвичай. Крихітні атоми не завжди залишаються позитивно зарядженими, але це робить молекулу v-подібної форми з пологим нахилом злегка позитивних кінчиків і злегка негативним ядром.

Киньте деяку кількість цих молекул разом з достатньою енергією, і невеликі зміни в заряді будуть розташовуватися відповідним чином, при цьому одні і ті ж заряди будуть розсуватися, а різні заряди збираються разом.

Хоча все це може здатися досить простим, движок, що стоїть за цим процесом, зовсім не простий. Електрони переміщуються під дією різних квантових законів, а це означає, що чим ближче ми дивимося, тим менше ми можемо бути впевнені в певних властивостях.

Раніше фізики спиралися на надшвидку спектроскопію, щоб зрозуміти, як електрони рухаються в водному хаотичному перетягуванні каната, вловлюючи фотони світла і аналізуючи їх сигнатуру, щоб відобразити положення електронів.

На жаль, при цьому не враховується важлива частина декорації – самі атоми. Далеко від пасивних спостерігачів, вони також згинаються і коливаються по відношенню до квантових сил, що рухаються навколо них.

“мала маса атомів водню посилює їх квантово-хвильову поведінку”, – говорить фізик slac келлі гаффні.

Анімація показує, як молекула води реагує на потрапляння лазерного світла. Коли збуджена молекула води починає вібрувати, її атоми водню (білі) притягують атоми кисню (червоні) до сусідніх молекул води ближче, перш ніж відштовхувати їх, розширюючи простір між молекулами.

Щоб зрозуміти пристрій атома, команда використовувала так званий мегаелектронвольтний надшвидкий прилад для дифракції електронів, або mev-ued . Цей пристрій у національній прискорювальній лабораторії slac осушує воду електронами, які несуть важливу інформацію про розташування атомів, коли вони рикошетують від молекул.

Маючи достатньо знімків, можна було побудувати зображення з високою роздільною здатністю коливання водню, коли молекули згинаються і згинаються навколо них, показуючи, як вони тягнуть кисень від сусідніх молекул до себе, перш ніж знову люто відштовхнути їх назад.

“це дослідження є першим, хто безпосередньо демонструє, що реакція мережі водневих зв’язків на імпульс енергії критично залежить від квантово-механічної природи того, як атоми водню розташовані на відстані один від одного, що довгий час вважалося відповідальним за унікальні атрибути. Води та її мережі водневих зв’язків”, – говорить гаффні.

Тепер, коли доведено, що інструмент працює в принципі, дослідники можуть використовувати його для вивчення турбулентного вальсу молекул води при підвищенні тиску і зниженні температури, спостерігаючи, як він реагує на органічні розчинені речовини, що сприяють створенню життя, або утворює нові дивовижні фази в екзотичних умовах.

Нагадаємо, раніше повідомлялося, що .