Впервые физики наблюдали квантовое свойство, которое делает воду странной.

В твоей чашке лайков бушует буря, которую мы с трудом понимаем. Молекулы воды отчаянно колеблются, вступают в контакт друг с другом, цепляются за них и высвобождаются уникальными способами, которые не поддаются легкому изучению.

Хотя физикам известен феномен водородная связь Он играет важную роль во многих странных и чудесных водных образованиях, однако некоторые детали того, как именно это работает, остались неясными.

Международная группа исследователей применила новый подход к отображению положения частиц, из которых состоит жидкая вода, и улавливанию ее тумана. Фемто секунды Точность, чтобы показать, как водород и кислород сливаются в молекулах воды.

Их результаты могут не помочь нам приготовить лучшую чашку чая, но они имеют большое значение в кристаллизации квантового моделирования водородных связей, потенциально улучшая теории, объясняющие, почему вода — столь важная для жизни, какой мы ее знаем, — обладает интересными свойствами.

«Это действительно открыло новое окно для изучения воды» Он говорит Шицзе Ван, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США.

«Теперь, когда мы, наконец, можем увидеть движение водородных связей, мы хотели бы связать эти движения с более широкой картиной, которая может пролить свет на то, как вода привела к возникновению и выживанию жизни на Земле, и сообщить о развитии методов возобновляемой энергии. . «

Отдельно от единственной молекулы воды, это тройная инкубационная битва за электроны между двумя атомами водорода и одним кислородом.

С гораздо большим количеством протонов, чем у двух сторонних вин, кислород получает немного больше любви электронов к молекуле. Это оставляет каждому водороду немного больше времени, свободного от электронов, чем обычно. Маленькие атомы не остаются полностью положительно заряженными, а образуют молекулу V-образной формы с пологим наклоном ярко положительных концов и слегка отрицательными ядрами.

Бросьте несколько этих частиц вместе с достаточной энергией, и небольшие различия в зарядах будут располагаться соответствующим образом, отталкивая одни и те же заряды друг от друга и в отличие от зарядов, которые собираются вместе.

Хотя все это может показаться достаточно простым, движущая сила этого процесса проста. Электроны размножаются под влиянием различных квантовых законов, а это означает, что чем ближе мы приближаемся, тем меньше мы уверены в определенных свойствах.

Раньше физики полагались на сверхбыструю спектроскопию, чтобы понять, как электроны движутся в хаотическом перетягивании каната в воде, улавливая фотоны света и анализируя их сигнатуру, чтобы отобразить положение электронов.

К сожалению, при этом не учитывается важная часть ландшафта — сами атомы. Помимо пассивных наблюдателей, они также изгибаются и раскачиваются по отношению к квантовым силам, кружащимся вокруг них.

«Малая масса атомов водорода подчеркивает их квантово-волновое поведение», Он говорит Физик SLAC Келли Гаффни.

Чтобы получить представление о расположении атомов, команда использовала так называемый мегаэлектронвольтный сверхбыстрый прибор для дифракции электронов, или МэВ-УЭД. Это устройство в Национальной ускорительной лаборатории SLAC распыляет в воду электроны, которые несут важную информацию о расположении атомов, когда они отражаются от молекул.

(Национальная ускорительная лаборатория Грег Стюарт / SLAC)

Вверху: анимация, показывающая, как молекула воды реагирует на попадание лазерного луча. Когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, атомы водорода (белые) оттягивают атомы кислорода (красные) от соседних молекул воды, прежде чем отталкивать их, расширяя пространство между молекулами.

Сделав достаточно снимков, можно было построить изображение с высоким разрешением водородного толчка, когда молекулы изгибаются и изгибаются вокруг них, показывая, как кислород от соседних молекул притягивается к ним, прежде чем его сильно оттолкнуть назад.

«Это исследование является первым, кто напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии в решающей степени зависит от квантовой механики того, как атомы водорода расположены друг от друга, что долгое время считалось ответственным за уникальные свойства воды и воды. сеть водородных связей «, Он говорит Гаффни.

Теперь, когда доказано, что инструмент работает в принципе, исследователи могут использовать его для изучения турбулентного вальса молекул воды при повышении давления и понижении температуры, а также наблюдать, как они реагируют на органические растворенные вещества, которые создают жизнь или образуют новые потрясающие фазы в экзотических условиях. .

Шторм еще никогда не выглядел таким сильным.

Это исследование было опубликовано в закаливать природу.