Международная научная группа, состоящая из представителей Национальной ускорительной лаборатории (SLAC США), Стэндфордского, а также Стокгольмского университетов впервые в истории выполнили прямое наблюдение процесса, в ходе которого атомы водорода, входящие в состав молекулы воды, вступали во взаимодействие с соседствующими молекулами во время возбуждения их лазерным пучком света.
И таким образом, был обнаружен необычный эффект, во время которого атомы водорода притягивали атомы кислорода соседних молекул, а затем их с силой отталкивали.
Простая вода и ее сложное взаимодействие
Всем нам прекрасно известно, что каждая молекула воды состоит из единичного атома кислорода и пары атомов водорода. При этом сеть водородных связей, которая действует между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода соседствующих молекул держит несчетное количество молекул воды вместе.
Вот эта пресловутая сеть водородных связей и «виновна» в столь загадочных свойствах воды, но до сих пор ученые не могут визуально в этом убедиться.
В новой научной работе инженерам впервые в истории получилось визуально наблюдать за тем, как реакция сети водородных связей на импульс энергии имеет критическую зависимость от квантово-механической природы того, какое распределение имеют атомы водорода в объеме.
Так в ходе эксперимента для визуализации взаимодействия учеными был применен SLAC MeV-UED, который по сути является скоростной «электронной камерой», способной фиксировать незначительные перемещения молекул благодаря использованию эффекта рассеивания потока электронов от рассматриваемого объекта.
Так вот ученые предварительно создали ручейки воды, имеющие толщину всего в 100 нанометров, и просветили их инфракрасным лазерным светом, который заставил буквально вибрировать молекулы.
После этого на ученые стали направлять на «возбужденные» молекулы воды короткие импульсы высокоэнергетических электронов.
Так вот в ходе такой обработки инженеры получили изображения трансформирующейся атомарной структуры молекул с достаточно высоким разрешением.
Выполнив анализ полученных снимков, инженеры установили, что, оказывается, когда молекула воды вступает в вибрационный процесс, ее атом водорода изначально притягивает к себе атом кислорода соседней молекулы, а уже потом отталкивает его с вновь приобретенным импульсом таким способом, увеличивая межмолекулярное расстояние.
При этом притяжение атомов происходило за 80 фемтосекунд, а весь процесс притяжения-отталкивания занимал не более 1 пикосекунды.
Это исследование позволит лучше понимать водородные связи в, казалось бы, такой простой, но на самом деле наименее изученной жидкости, как вода. А также понимать природу многих химических реакций, протекающих в фазе раствора.
Результатами проделанной работы ученые поделились на страницах журнала Nature.
Если понравился материал, то оцените его и не забудьте подписаться на канал. Спасибо за ваше внимание!
