Учени от Сибирския федерален университет, заедно с колегите си от Кралския технологичен институт на Швеция, опровергаха най-популярната клъстерна теория за структурата на водата. В хода на своята работа изследователите предложиха нова теория, която е в съответствие с резултатите от експеримента им. Работата е публикувана в списанието Nature Communications. Изследването бе подкрепено с безвъзмездна помощ от Руската научна фондация.
Водата е едно от най-разпространените, но в същото време необичайни вещества на Земята. Той има редица нетипични свойства поради специалната си структура, например, високия топлинен капацитет и ниската електрическа проводимост. Общоприето е, че водата се състои от Н2О молекули, обединени в групи от така наречените водородни връзки. Тяхното присъствие се дължи на привличането между положително заредени водородни атоми и отрицателно заредени кислородни атоми.
Свободните молекули, които не са включени в клъстери (групи от молекули, свързани с водородни връзки), присъстват само в малко количество. Много учени смятат, че водата е постоянно променяща се смес от леки и тежки струпвания. В първия молекулите са свързани една с друга (като в лед), а във втората връзките се разрушават, поради което такива системи са по-плътни. Наличието на тези фази може да бъде открито с помощта на резонансно нееластично разсейване на рентгенови фотони по вода. В този случай се наблюдава преход, при който електрон от заета молекулярна орбитала запълва дупка, на мястото на която електронът е избит по-рано от фотон. Експериментът с течна вода показва разделяне на резонанса на два пика. В научната литература полученият дублет се приписва на групи от леки и тежки типове.
За да хвърлят светлина върху този основен проблем, авторите на работата проведоха експеримент с водна пара, където няма водородни връзки. По време на изследването те измерват спектъра на резонансно нееластично разсейване на изолирана молекула. Експериментите доведоха до неочакван резултат и показаха, че в рентгеновите спектри на разсейване на водни молекули в газовата фаза има точно същото разделяне на резонанса на два пика. Освен това извършените теоретични изчисления недвусмислено обясняват разделянето в спектъра чрез ултра бързо разпадане (дисоциация) на водната молекула в Н + и ОН– йони. Така изследването предоставя доказателства за динамичния характер на резонансното разделяне и опровергава структурния механизъм, като по този начин демонстрира, че структурата на водата е хомогенна.
Вторият не по-малко важен резултат от тази работа е получаването на подробна структурна информация за това как водородните връзки влияят на здравината на OH връзките. Вибрационната инфрачервена (инфрачервена) спектроскопия е често използван инструмент за изследване на водородни връзки в течности. Но в тях IR спектроскопията показва само най-интензивния преход към състояние с минимална вибрационна енергия, което "слабо усеща" междумолекулното взаимодействие. Резонансната нееластична спектроскопия на разсейване на водата е качествено различна от IR спектроскопията по това, че получавайки енергия от рентгенов фотон, кислородният електрон преминава от най-дълбоката орбитална към първата незасегната. В резултат на това молекулата на водата бързо се дисоциира.
В процеса на това възбуденият електрон се придвижва обратно до най-дълбокото си ниво, излъчвайки фотон. Честотата на трептенията на излъчения фотон се различава от тази на вълнуващия фотон, тъй като по време на този преход електронът пада на нива с по-висока енергия. По този начин, за разлика от IR спектъра, спектърът на резонансното нееластично разсейване се състои от разширен набор от вибрационни пикове. Колкото по-високо е вибрационното състояние, толкова по-нататък водородните атоми се отдалечават от кислорода в процеса на вибрации на връзката между О и Н и толкова по-силна тази вибрация се усеща взаимодействието с най-близката водна молекула, а именно водородната връзка. Резонансното нееластично разсейване предоставя уникална възможност за изучаване на водородни връзки, по-специално, за да се определи въз основа на спектъра как съседните молекули чрез водородна връзка влияят на потенциала за взаимодействие на ОН връзка.
„Важно е да се отбележи, че за разлика от изолирана водна молекула с една енергия на взаимодействие на О и Н, има набор (разпределение) на такива енергии в течност поради разнообразието на непосредствената среда на водната молекула. По този начин вторият резултат от работата е измерването на разпределението на OH-потенциалите в мрежата на постоянно променящи се водородни връзки. На следващия етап на изследване е необходимо да се установи дали е възможно да се определи такъв важен структурен параметър като средния брой връзки в молекула от спектрите на резонансно нееластично разсейване на водата. Той определя енергията на взаимодействието на последния с неговата среда и следователно такива свойства като скоростта на звука във водата и нейната топлинна способност , добавя Фарис Гелмуханов, доктор по физика и математика, професор от Кралския технологичен институт (Стокхолм, Швеция),Старши научен сътрудник на Сибирския федерален университет.
В работата взеха участие и учени от Университета в Потсдам (Германия), Университета в Цюрих (Швейцария) и Университета в Турку (Финландия).
Промоционално видео: