Logo
Cover

Команда ученых из США и Швеции впервые непосредственно наблюдала, как атомы водорода в молекулах воды в возбужденном состоянии тянут и толкают своих соседей. Результаты их исследования помогут физикам раскрыть происхождение странных свойств воды и понять, как вода способствует функции белков в живых организмах.

У обычной воды есть много странных свойств, которые ученые пока не могут объяснить. Хотя большинство видов жидкости становятся при охлаждении плотнее, вода достигает наибольшей плотности при 4 градусах Цельсия. Поэтому лед сначала образуется на поверхности пруда. Также у нее необычайно высокое поверхностное напряжение, что позволяет насекомым ходить по ее поверхности, и большая теплоемкость.

Из школьного курса химии известно, что каждая молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Их удерживают вместе водородные связи между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних. Эти запутанные отношения лежат в основе многих свойств воды, но до недавних пор ученые не могли наблюдать напрямую, как молекулы воды взаимодействуют друг с другом.

До сих пор наблюдения затруднял крошечный размер и высокая скорость движения водородных связей. Эксперимент, проведенный группой ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета, смог обойти эту трудность, задействовав электронную камеру MEV-UED, способное распознавать мельчайшие движения молекул с помощью мощных пучков электронов.

Ученые создали струи жидкой воды толщиной 100 нм и заставили их вибрировать под инфракрасным лазерным лучом. Затем они направили на молекулы короткие импульсы высокоэнергетических электронов MEV-UED, пишет Stanford News.

Полученные моментальные снимки атомной структуры молекул они объединили в покадровое видео о том, как молекулы воды реагируют на свет. Из наблюдения за тремя молекулами видно, что когда они начинают вибрировать, атомы водорода подтягивают атомы кислорода из соседних молекул ближе к себе, а потом отталкивают с новообретенной силой, расширяя пространство между молекулами.

Ученые надеются использовать этот метод для исследования квантовой природы водородных связей и их роли в еще неизученных свойствах воды, играющих важную роль во многих химически и биологических процессах.

В 2019 году команда физиков из Австрии впервые наблюдала квантовую интерференцию цепочки из 15 аминокислот. Их исследование заложило основу изучения квантовых свойств биологических молекул, энзимов, ДНК и, возможно, даже простейших форм жизни, таких как вирусы.