Ученые впервые увидели процесс, который обеспечивает «странные» свойства воды

27.08.2021 | 12:29

Из-за него лед не тонет, а водомерки скользят по поверхности воды.

Фото: Unsplash

Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC министерства энергетики США, Стэнфордского и Стокгольмского университетов напрямую наблюдали, как атомы водорода в молекулах воды тянут и толкают соседние молекулы при возбуждении лазером. Это может объяснить странные свойства воды.

Исследование опубликовано в Nature, коротко о нем рассказывает лаборатория SLAC.

Некоторые свойства воды загадочны, и ученым до сих пор сложно их объяснить. Например, все жидкости становятся плотнее, когда температура падает. Максимальная плотность воды достигается при 4 °C. Поэтому менее плотный лед плавает на поверхности, а не погружается на дно. Водоемы замерзают сверху вниз, и их обитатели выживают. Еще одно необычное свойство воды — высокое поверхностное натяжение.

Из-за него насекомые могут ходить по воде, а температура океана остается стабильной.

Каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженным атомом кислорода в соседней молекуле держит их вместе. Эта сложная сеть обеспечивает «странные» свойства воды, но до сегодняшнего дня никто не наблюдал напрямую, как молекулы взаимодействуют друг с другом.

Раньше было сложно наблюдать маленькие и быстрые движения водородных связей. Эксперимент удался благодаря высокоскоростной «электронной камере» MeV-UED.

Ученые создали струи воды толщиной в 100 нанометров (примерно в 1000 раз тоньше, чем человеческий волос) и заставили молекулы вибрировать с помощью лазерного луча. На камеру MeV-UED команда сделала множество снимков и объединила их в фильм.

Камера фокусировалась на группе из трех молекул воды. Оказалось, когда возбужденная лазером молекула начинает вибрировать, ее атомы водорода притягивают атомы кислорода соседних молекул, а затем отталкивают.

Фото: SLAC

Исследователи надеются, что этот метод поможет разобраться в квантовой природе водородных связей. Тогда они поймут, что отвечает за «странные» свойства воды. Это важно, ведь ее необычные характеристики играют ключевую роль в химических и биологических процессах.

Физики выяснили, насколько жидкой может быть вода

Исследование показало, что вода имеет две разные молекулярные структуры

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации

Расскажите друзьям

• Shutterstock

  Ученые прочитали мысли осьминогов и наткнулись на невиданную ранее мозговую волну

• Shutterstock

  Уникальная находка: археологи впервые нашли сохранившиеся духи, которым около 2000 лет

• Shutterstock

  Ученые ломали голову над природой «волшебных кругов» Австралии, а надо было спросить аборигенов

• Shutterstock

  Генетическое исследование проливает новый свет на происхождение индейцев и японцев

• Художественный взгляд на двойную систему черных дыр

  LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

  Физики-теоретики пришли к выводу, что черные дыры могут быть дефектами пространства-времени

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Учёные обнаружили сегнетоэлектричество в распределённых по нанопорам кристалла молекулах воды

Учёным из МФТИ и ряда зарубежных и отечественных коллективов впервые удалось надёжно реализовать и зафиксировать электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

(На фото — кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Источник — предоставлена авторами статьи.)

В физике твёрдого тела явление существования электрической упорядоченности — взаимной ориентации электрических дипольных моментов — называется сегнетоэлектричеством. Поскольку молекула воды (H₂O) обладает очень большим дипольным моментом (около 1,9 Д; Д — дебай, единица измерения электрического дипольного момента), то можно было бы ожидать, что в жидкой воде эти моменты будут взаимодействовать и как-то взаимно сориентируются, проявят сегнетоэлектрические свойства.

Однако, в жидкой воде подобной ориентации не происходит: молекулы расположены так близко друг к другу, что взаимодействие между ними определяется не дипольной природой, а более короткодействующими водородными связями, которые подавляют дальнодействующие диполь-дипольные силы (взаимодействие стрелочек — молекулярных диполей).

Ситуация кардинально меняется, когда молекулы воды вступают во взаимодействие с какими-либо сторонними структурами или поверхностями, либо помещаются в замкнутые полости достаточно малого (масштаба нанометров) объёма. Тогда роль водородных связей можно приуменьшить за счёт их «переориентации» на эти дополнительные взаимодействия. Вот здесь-то и могут выйти на первый план взаимодействия между водяными диполями.

Рисунок: Молекулы воды в структуре берилла. Красная стрелка — обозначение электрического дипольного момента. Источник — пресс-служба МФТИ.

Коллективу исследователей удалось найти неожиданный и оригинальный способ заставить взаимодействие дипольных моментов молекул воды пересилить водородные связи. Они смогли поместить отдельные молекулы H₂O в наноразмерные полости, образованные ионами кристаллической решётки берилла — минерала, принадлежащего к семейству драгоценных камней (изумруд и аквамарин — наиболее известные разновидности берилла). Эти полости располагаются периодически (что облегчает математический анализ) и, что важно, на таком расстоянии (5–10 ангстрем, стотысячных долей сантиметра), при котором водородные связи (характерная длина взаимодействия 1–2 Å) уже не работают, а диполь-дипольные силы (характерная длина взаимодействия 10–100 Å) всё ещё существенны.

Сегнетоэлектрики имеют несколько особых свойств — «отпечатков пальцев» (fingerprints), которые позволяют экспериментально доказать наличие электрической упорядоченности в какой-либо системе. Это, например, зависимость диэлектрической проницаемости от температуры по закону Кюри – Вейсса, а также наличие мягкой моды (особой линии поглощения) в оптических спектрах и её определённая температурная зависимость. Все эти признаки учёные обнаружили в «растворённой» в берилле воде.

«Нашему коллективу впервые удалось реализовать условия для надёжного наблюдения взаимной ориентации электрических моментов молекул воды. Что касается практических применений обнаруженного явления, то область возможных приложений может быть весьма обширной. Вдобавок, у исследователей появилась возможность изучить влияние на это явление различных факторов: температуры, давления, ионного окружения, и продвинуться в понимании роли явления в различных процессах живой и неживой природы», — говорит Борис Горшунов, руководитель Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.

По словам учёных, электрические поля, формируемые ориентированными молекулами воды в условиях их «запирания» в наномасштабных областях — в условиях наноконфайнмента, могут играть ключевую роль в различных явлениях биологии, химии, геологии, метеорологии и даже в процессе формирования планет Солнечной системы.

Результаты многочисленных компьютерных расчётов и моделирований действительно предсказывают упорядочение дипольных моментов молекул воды в ситуациях, когда водородные связи «переключаются», «закорачиваются» на искусственно создаваемые поверхности или полости, такие, например, как углеродные нанотрубки или двумерные металлические подложки. Экспериментально же такого типа сегнетоэлектричество в подсистеме молекул H₂O до сих пор не наблюдалось, несмотря на многократные попытки экспериментаторов по всему миру.

Как фотографировать молекулы воды

Молекулы воды очень малы, и поэтому их трудно сфотографировать. Однако есть несколько способов сфотографировать молекулы воды. Одним из способов является использование электронного микроскопа . Этот тип микроскопа использует пучок электронов для увеличения объектов и может делать снимки объектов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью обычного светового микроскопа. Еще один способ сфотографировать молекулы воды — использовать специальный тип камеры, называемый атомно-силовым микроскопом. Этот тип микроскопа может делать снимки отдельных атомов и молекул.

Молекула воды Стоковые фотографии, картинки и изображения без лицензионных платежей. Модель молекулы воды, наука или медицинское образование, 3D-иллюстрация. В пиктограмму были включены значки для аминокислот, пептидов, гормонов, белков, коллагена, озона и химических формул O2. молекулы h3O плавают в воде. На иллюстрации молекулы воды символ и химическая формула представлены двумя слоями изолированного, векторного и eps 10. На экране микроскопа отображается белый изолят синего бирюзово-зеленого прозрачного серого жидкого геля или серой сыворотки или светло-голубой бирюзово-зеленый прозрачный серый жидкий гель или серая сыворотка. Эта векторная иллюстрация молекулярной структуры представляет собой изолированную иллюстрацию потока микроорганизмов на белом фоне на синем абстрактном фоне.

Известно, что сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) является прекрасным инструментом для исследования локальных структур в водных сетях на уровне одиночной молекулы .

Молекулы впервые меняют свое зарядовое состояние, что было описано на фотографии. Ученые использовали некоторые из самых передовых технологий микроскопии на планете для записи изменений заряда молекул в режиме реального времени.

Молекулы — это микроскопические частицы, из которых состоит вода. Они намного меньше, чем это, поэтому вы не можете увидеть их в микроскоп. Каждая молекула воды содержит только маленькие частицы, известные как атомы. Три атома водорода (также известные как H) добавляются к поверхности каждой молекулы воды, чтобы получить три атома водорода (также известные как O).

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) — широко используемый метод визуализации молекул.

Можете ли вы сфотографировать молекулу?

Уже давно ученые не использовали для этой цели атомно-силовую микроскопию (АСМ) и сканирующую туннельную микроскопию (СТМ). Обратите внимание: эти изображения не являются фотографиями в том смысле, что они предназначены для косвенного измерения составляющих молекулы.

Рентгеновский лазер в SLAC будет использоваться для фотографирования молекул и выявления их структуры. Устройство такого масштаба создается прямо здесь, в SLAC, что является первым в мире. Быстрые химические реакции можно рассматривать как фильмы, и они также могут определять структуру отдельной молекулы или небольшого скопления молекул. С помощью линейного ускорителя он сможет получать изображения химических реакций с временным разрешением. Используя последнюю треть линейного ускорителя, LCLS сможет генерировать плотно сфокусированные кластеры свободных электронов. Архив линейной информации в SLAC был передан отделу фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики. линейный ускоритель оснащен рядом компрессоров, которые сжимают электроны в очень маленькие, интенсивные, импульсные пакеты размером 20 микрон. Самые интенсивные и быстрые когерентные рентгеновские лучи, когда-либо полученные, отправляются в серию экспериментов.

Чтобы увидеть молекулу в электронный микроскоп, поместите ее на металлическую пластину. Электронный микроскоп использует электронный луч для визуализации структуры молекул. Поскольку молекулы очень малы, электронный микроскоп может видеть детали, недоступные стандартному микроскопу. Молекулы настолько малы, что даже самые мощные микроскопы не могут их увидеть. Для наблюдения за ними можно использовать электронный микроскоп.

Да, вы можете увидеть атомы с помощью лазера с помощью атомно-силовой микроскопии.

Можно ли увидеть атомы с помощью лазера?
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) способен обнаруживать атомы и молекулы.

Можно ли увидеть молекулы воды под микроскопом?

Источник изображения: mit

Да, молекулы воды можно увидеть под микроскопом. Они очень маленькие, но их видно.

Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) позволил получить первые изображения отдельных атомов в 1970-х годах. Ключевым открытием стала разработка метода предотвращения прилипания кончика микроскопа к хрупкой молекуле пентацена. В результате можно создавать чрезвычайно мощные компьютеры с точно расположенными атомами и молекулами. Этот процесс также может дать представление о действиях катализаторов во время реакций, что позволит исследователям лучше понять, что происходит на атомном уровне.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии ученые смогли наблюдать атомы и молекулы в отдельных частицах. В результате они смогли увидеть, что молекулы воздуха настолько малы и так далеко друг от друга, что мы не можем видеть их своими глазами. В воде есть несколько типов молекул воды, но глаза их не видят, потому что они крошечные, как и молекулы воды, которые сгруппированы и выглядят одинаково.

Какое увеличение нужно, чтобы увидеть кристаллы воды?

Падение поля зрения можно увидеть и отцентрировать с помощью небольшого увеличения. Диапазон увеличения для капель составляет от 10 до 100x.

Сила 100-кратного увеличения

При 100-кратном увеличении вы сможете увидеть мельчайшие детали объектов. При 100-кратном увеличении можно увидеть отдельные волокна в бумаге и поры на коже; с раствором 100x также можно увидеть отдельных молекулы в растворе. Другое увеличение может показать объекты, которые трудно увидеть при других увеличениях. При 100-кратном увеличении можно увидеть как кровеносные сосуды, так и отдельные клетки в ткани. При увеличении в 400 раз можно увидеть мельчайшие детали предметов. Решение 400x может не только идентифицировать отдельные клетки в ткани, кровеносные сосуды в ткани или отдельные молекулы в растворе, но также может идентифицировать все клетки ткани. Мельчайшие детали объекта можно увидеть при увеличении до 1000х. Например, при увеличении в 1000 раз можно увидеть отдельные клетки, молекулы в растворе и атомы в кристалле.

Можно ли увидеть молекулы в микроскоп?

Молекулы слишком малы, чтобы их можно было увидеть в микроскоп. Самая маленькая молекула водорода имеет диаметр всего около 0,1 нанометра. Для сравнения, обычный микроскоп может разрешать только объекты размером около 0,2 микрона.

IBM разработала первый атомно-силовой микроскоп (АСМ), способный обнаруживать молекулы. Один из первых шагов к пониманию того, как манипулировать молекулами, — это возможность исследовать их так, чтобы они не распадались. В конечном итоге это приведет к лучшему пониманию того, как лучше всего создавать компьютеры на этом уровне.

ПЭМ можно использовать для изучения структуры и динамики большого количества молекул и агрегатов. Возможность видеть даже мельчайшие органические молекулы дает исследователям ценную информацию о химических реакциях, происходящих в биологии.
ПЭМ также использовался для исследования свойств материалов на атомном и субатомном уровнях. ПЭМ позволяет ученым понять, как атомы и молекулы взаимодействуют с электронами и наоборот.
Используя ПЭМ, можно получить массу информации о том, как ведут себя молекулы и материалы. Его можно использовать для исследования физических и химических свойств материалов на атомном и субатомном уровнях в самом широком смысле.

Форма молекулы воды Стоковые фото

• Премиум с управлением правами
• Премиум Без лицензионных отчислений
• Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• Фото
• Иллюстрация
• Вектор

• Горизонтальный
• Вертикальный
• Площадь
• Панорамный

• Выпуск модели
• Разрешение собственности

• Актуальность
• Дата добавления

• Все цвета

• 0000000000″ data-haskpx=»true» data-license=»rm» data-imagecode=»700-03621463″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  700-03621463

  Молекула воды внутри капли воды

  Управление правами

• 0750000000″ data-haskpx=»true» data-license=»rf» data-imagecode=»600-03621459″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

• 600-03621454

  Химическая формула воды и атомов водорода, связанных с атомом кислорода

  Премиум Без лицензионных отчислений

• 1500000000″ data-haskpx=»true» data-license=»rf» data-imagecode=»600-03621456″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

• 400-07410261

  Шаблон научной фантастики. Вектор. Редактируемый. Иконки для бизнеса

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 400-07045766

  Голубая текстура с мыльными пузырями для фона и заполнения пространства

  Бюджетный лицензионный платеж и подписка

• 400-04236588

  Молекулярная модель над океаном — 3D-иллюстрация

  Бюджет, лицензионные платежи и подписка

• 2750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-05713520″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-05713520

  х3О. Формула воды на белом фоне. 3d

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 400-08837023

  Молекула воды. Абстрактный синий фон. Иллюстрация в векторном формате

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 3250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-07822746″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-07822746

  3D иллюстрация молекулы воды из кожи, выделенной на белом фоне

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 400-07822741

  Трехмерная иллюстрация молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных платежей и по подписке

• 3750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-06531112″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-06531112

  думая о дизайне иллюстрации облака химии над белым

  Бюджет без лицензионных отчислений и подписка

• 400-05285960

  молекула воды в футуристическом пространстве — 3d иллюстрация

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 4250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-04773745″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-04773745

  молекула в футуристическом пространстве — 3D иллюстрация

  Бюджет без лицензионных платежей и по подписке

• 400-05327265

  Молекула воды, абстрактный фон из атомов и молекул

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 4750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-05213451″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-05213451

  Цветные абстрактные пятна на сером фоне. Вектор

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 400-04189338

  Лабораторная посуда и оборудование

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 5250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-05280000″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-05280000

  Глянцевые везикулы, состоящие из желто-зеленых пятен на фоне расходящихся лучей

  Бюджетное лицензионное вознаграждение и подписка

• 400-04236327

  молекула в футуристическом пространстве — 3d иллюстрация

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 5750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-08958792″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-08958792

  Набор плакатов о жидкости. Векторная иллюстрация красочного творческого фона.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 400-08958783

  Абстрактный плакат Жидкость Жидкость. Векторная иллюстрация красочного творческого фона.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 6250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-08958782″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-08958782

  Плакат с абстрактными жидкостями. Векторная иллюстрация красочного творческого фона.

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 400-08958775

  Красочный плакат Аннотация. Векторная иллюстрация цветного творческого фона.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 6750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-08958774″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-08958774

  Дизайн плаката с красочной жидкостью. Векторная иллюстрация цветного творческого фона.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 400-08958773

  Красочный плакат с жидкой жидкостью. Векторная иллюстрация абстрактного творческого фона.

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 7250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-08958771″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-08958771

  Набор красочных абстрактных плакатов. Векторная иллюстрация цветного творческого фона.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 400-08958770

  Цветной абстрактный фон. Векторная иллюстрация цветного творческого фона с надписью.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 7750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-08679794″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-08679794

  Набор из 56 значков линий воды, подходящих для Интернета, инфографики и приложений. Изолированные на белом фоне. Обтравочные контуры включены.

  Бюджетные лицензионные платежи и подписка

• 400-07822747

  3D иллюстрация молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 8250000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-07822745″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-07822745

  3D-иллюстрация кожаной молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных платежей и по подписке

• 400-07822744

  Трехмерная иллюстрация молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных платежей и по подписке

• 8750000000″ data-haskpx=»false» data-license=»ms» data-imagecode=»400-07822743″ data-incart=»false» data-extendedlicense=»false» data-inlightbox=»false»>

  400-07822743

  3D иллюстрация молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных отчислений и по подписке

• 400-07822742

  Трехмерная иллюстрация молекулы воды на белом фоне

  Бюджет без лицензионных платежей и по подписке