Кластерная структура воды

Это продолжение статьи, начало — на предыдущих страницах данного раздела.

По мнению некоторых исследователей (Ю. А. Колясников) водородные связи в этих тетрамерах могут образовывать как правотак и левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы кварца бывают правои лево-вращательной кристаллической форм (рис. 26). Так как каждый такой тетрамер воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи, то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК. Поскольку внешних связей всего четыре, а внутренних — в 3 раза больше, то это позволяет тетрамерам в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные тепловыми колебаниями внешние водородные связи. Согласно этому предположению это и обуславливает текучесть воды.

 

Рис. 26. Кристаллическая структура кварца (слева) и тетраэдрическая структура воды (справа).

Предполагаемая структура воды могла быть обусловлена ее древней реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, из недр которой когда-то появилась вода на Земле. Как маленький кристаллик соли заставляет окружающий его раствор кристаллизоваться в подобные ему кристаллы, так кварц мог инициировать молекулы воды выстраиваться в тетраэдрические структуры, которые, энергетически наиболее выгодны.

Предложены теоретические модели, объясняющие структуру и свойства воды. Первые модели воды стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много фактических данных об аномалиях воды. Во второй половине XX века Г. Немети и Х. Шаран предложили кластерную модель воды. В ней вода представлена в виде смеси кластеров связанных водородными связями молекул воды, которые плавали среди свободных несвязанных молекул воды (рис. 27).

Рис. 27. Модель “мерцающих” кластеров.

Сейчас наукой установлено, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов молекул воды (кластеров), способных воспринимать, хранить и передавать самую различную информацию о внутренних и внешних воздействиях.

 

Рис. 28.  Водородные связи между молекулами воды

Непосредственной причиной образования водяных кластеров являются водородные связи между молекулами воды (рис. 28). Они возникают между ядрами водорода одних молекул и «сгущениями» электронной плотности у ядер кислорода других молекул воды. Водородные связи легко разрушаются под действием тепловых колебаний молекул и быстро восстанавливаются вновь, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают структурные элементы  –  кластеры воды. Возникновение и распад кластеров можно выразить схемой:

x·H₂O↔ (H₂O)_x

Благодаря Рамановой электроскопии в 2005 г. коллектив учëных из университета Беркли, США – Гейслер, Сейкали и Смит, показали, что связи водорода между молекулами воды находятся в постоянном движении, постоянно разрываются и меняются (рис. 29). При каждом значении температуры в воде устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в кластерах. При этом на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ. Этим и объясняется аномально высокая теплоемкость воды по сравнению с расплавами других веществ, не образующих водородных связей. При нагревании таких расплавов энергия расходуется только на сообщение тепловых движений их атомам или молекулам. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. На правильность такой точки зрения указывает и то обстоятельство, что удельная теплоемкость водяного пара при 100°С практически совпадает с удельной теплоемкостью льда при 0°С. 

Эти результаты коррелируют с квантово-механическими анализами спектра воды д-ра Игнатова. При этих анализах относительная стабильность кластеров зависит от внешних факторов. Вода отличается по своей структуре, и сходство в спектре может наблюдаться при определëнных внешних условиях (Игнатов, 2005). Вода изменяет положение своих молекул в зависимости от энергии связей водорода. Анализы и результаты, достигнутые при помощи аппаратуры на наличие «стационарных» кластеров, трудно могут быть восприняты. Сами кластерные формации динамичны, и «запоминание» информации зависит от целого ряда факторов. Первые результаты и анализы с помощью прибора проф. Антонова были получены в 1997 г.

 

Рис. 29. Результат Гейслера, Сейкали и Смита, полученный в результате Рамановой электроскопии при анализе движения молекул воды, Berkeley University, USA

Этот результат коррелирует с квантово-механическими анализами д-ра Игнатова динамичного движения молекул воды в их попытке найти относительно стабильное состояние кластеров из порядка нанометров.

 www.medicalbiophysics.dir.bg/ru/water_memory.html

Вода, таким образом, – это громадный полимер множества молекул воды, связанных друг с другом водородными связями, которые постоянно рвутся и образуются вновь, что и объясняет многие аномальные свойства воды. Но классический полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер (Isaacs E. D., et al.,1999). Даже частично ковалентный характер водородной связи “разрешает”, по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в полимерные устойчивые ассоциаты.

В 1993 году американский химик Кен Джордан рассчитали варианты устойчивых “квантов воды”, состоящие из 6 молекул воды (рис. 30) (Tsai & Jordan, 1993). Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Интересной особенностью этой модели является то, что из нее следует, что свободно растущие кристаллы воды в снежинках должны обладать 6-лучевой симметрией.

 

Рис. 30. Варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул (Tsai & Jordan, 1993).

В 1993 году группа исследователей из Калифорнийского университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р.Дж.Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а затем и гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые «кольца». 

 

В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона методом рентгеноструктурного анализа с помощью сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей образовывать структуры — «истинные кирпичики» воды, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Интерпретируя полученные экспериментальные данные, исследователи считают эти ассоциаты довольно долгоживущими элементами структуры воды.

Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать (рис. 31).

 

Рис. 31. Возможные кластеры воды.

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:

 

Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекул воды оказались более стабильными.

 

В 1998 году российский исследователь воды С.В. Зенин первым предложил, что кластеры воды представляют собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристаллоподобный «квант воды», состоящий из 57 молекул воды, взаимодействующих друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников).

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра. 16 квантов воды, в свою очередь образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей.

Вода по мнению С. Зенина на 80% состоит из таких элементов, 15% — кванты-тетраэдры и 3% — классические молекулы воды. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Кластеры воды несут в себе информацию крайне высокой плотности. Порядковое число структурных элементов воды воды, по-видимому, так же высоко, как и порядковое число кристаллов.

Таким образом, водная среда представляет собой иерархически организованный жидкий кристалл. Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора среды или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Такая модель позволяет Зенину объяснить «память воды» и ее информационные свойства (Зенин, 1997).

См. ссылку: /article/learn/

Как приготовить структурированную воду. Способ второй

Структурированная вода, как было показано в прошлой статье, является источником органичного пополнения биожидкости, которая уходит из организма вследствие физиологических процессов. И если у Вас недостает времени, чтобы «поймать» момент образования первой ледовой корки с дейтерием, можно получить такую водичку гораздо проще.

Делаем структурированную воду

Для начала Вам следует сделать заказ на доставку воды, например «КАНЬОН». Ведь только чистейшая артезианская, с ионами серебра, вода, которая прошла дополнительную много фильтровую очистку и антибактериальную ультрафиолетовую обработку, станет «правильной» жидкостью для создания структурированной воды. Менее очищенные воды не позволят достичь идеальной структуры кластеров, а значит и конечный продукт не будет полным клоном биожидкости.

Итак, прежде всего, налейте нашу бутилированную воду в эмалированную кружку или кастрюльку (это идеальная посуда). Правда, воспользуйтесь посудой небольших объемов (не более 1 л). Поставьте тару с аква витой в морозильную камеру и забудьте о ней на несколько часов.

Когда вода полностью замерзнет, заберите посуду из холодильника и, обдав ее горячей водой, выложите из неё лед. А дальше ополосните ледяную болванку под струей холодной воды в течении 30-60 сек. Так Вам удастся убрать с поверхности ту самую тяжелую воду, которая совершенно не пригодна для употребления.

Не забывайте, что сочные фрукты и овощи имеют в своем составе идеальную биожидкость, а значит, являются, кроме кладезя витаминов и минералов, природным источником структурированной воды.

После этого положите оставшийся лёд в вымытую посуду (можно использовать ту же, что стояла в холодильнике) и дайте воде размёрзнуться при комнатной температуре. Когда жидкость подтает почти полностью, но останется небольшая сердцевина размером примерно с крупный грецкий орех, слейте ее в чистую тару. А нерастаявший «орешек» выбросьте: эта ледышка – «пристанище» легких изотопов водорода, которые не имеют ничего общего с идеальной структурированной водой.

Чем хороша структурированная водица

Вот и весь процесс создания идеальной воды, которая поможет:

• очистить и восстановить печень, почки, желудочно-кишечный тракт;
• снизить уровень глюкозы в крови;
• нормализовать артериальное давление;
• уменьшить боли в суставах;
• восстановить мужскую силу;
• нормализовать работу поджелудочной железы;
• улучшить состояние сосудов головного мозга;
• полностью избавиться от головных болей.

После нагревания свыше 37 градусов кластеры распадаются, и структура воды изменяется. Поэтому не готовьте на ней пищу, а просто пейте сырой, давайте ее животным и поливайте растения. А все живые организмы за Ваши хлопоты уже через месяц отблагодарят хорошим самочувствием.

Однако помните, создавая структурированную воду, делайте это с удовольствием, думайте о чем-то приятном или вообще пойте лирические песни, а то и молитву прочтите. Ведь вода – почти живой организм, это доказано наукой и проверено жизнью. Поэтому, заказав бутилированную воду, трепетно относитесь к ней.

Чудо без чудес

Ну, а теперь еще об одном важном моменте. Полученная Вами структурированная аква вита хранит свои свойства не дольше суток и лишь при температуре до 12 градусов тепла. Далее, как в сказке – ее «волшебная» сила теряется. Поэтому не стремитесь запастить такой водицей впрок — это совершенно бессмысленно.

А вот иметь в морозилке несколько стаканчиков замороженной водички – мудро и практично.

Воспользовавшись вторым способом приготовления структурированной воды, Вы через каких-то полчаса-час сможете выпить прекрасную и, главное, нужную организму «правильную» жидкость.

ак видите, путь к здоровью начинается с доставки бутилированной воды. А уж дальше – воля Ваша, захотите ли Вы обременять себя «не хлопотной простотой» получения структурированной воды, или откажете организму в:

• омоложении;
• улучшении метаболизма;
• высвобождении энергии для более активного существования.

Каждый живущий – сам себе счастья кузнец. Поэтому задумайтесь, все ли Вы сделали, чтобы и в 70 лет остаться молодым? И если хотите изменить физическое здоровье к лучшему, звоните и делайте заказ чистой питьевой воды для кулера.

Помните, Ваше здоровье – в Ваших руках!

Дизайн кластера воды в лаборатории проф. Беттенса

[На доске: водородные связи, иллюстрация операций симметрии]

 

 

Когда мы думаем о том, что делает химию интересной, одна из вещей заключается в том, что вопросы дискретны. : как мы знаем, кажущиеся непрерывными объекты на макроуровне, такие как кусок железа, текущая река, состоят из отдельных единиц, которые мы называем атомами и молекулами на микроуровне. Различные молекулярные структуры обеспечивают различные свойства материи и делают мир таким, каким мы его видим.

Таким образом, даже наша повседневная жидкость, вода, имеет свою особую структуру, и она не так проста, как (h3O). Как мы знаем, молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом: вы можете представить молекулу h3O очень легкий V-образный магнит. Две неподеленные пары электронов на атоме кислорода притягиваются к положительно заряженным атомам водорода в других молекулах воды и отталкивают их атомы кислорода. Эти взаимодействия дают молекулам воды тенденцию собираться в «водные кластеры». Вы можете видеть кусок льда как огромный кластер воды, в котором все молекулы связаны водородными связями до насыщения, за исключением молекул на поверхности. Однако в жидкой воде также есть крошечные кластеры воды, или, как мы можем назвать их, крошечные кусочки льда.

Мартин Чаплин предложил, например, икосаэдрический кластер (h3O)280. Он действительно может существовать в жидкой воде и использоваться для точного объяснения некоторых свойств воды, таких как плотность, теплоемкость, показатель преломления.

Что я хотел бы сделать, так это создать больше молекул воды, чтобы проверить метод фрагментации профессора Беттенса, который вычисляет электрическую энергию химической системы. Но мы не можем просто создавать дизайн случайным образом. Для меня я выполнил эти шаги. Рассмотрение структурных свойств кластеров воды, изучение технических вопросов, таких как язык ФОРТРАН и гауссовский алгоритм, написание программы, которая поможет мне создать структуру, использование программы и, наконец, проявление творческого подхода. 🙂

Из структурных соображений мы сначала отметим, что кислород в воде находится в состоянии sp3-гибридизации, что означает, что он имеет тенденцию к образованию тетраэдрической связи. Это делает кислород очень похожим на углерод в алканах. Они предпочитают пяти- и шестичленные кольца. Во-вторых, у нас есть основания полагать, что водный кластер достаточно симметричен, учитывая, что его среда — жидкая вода — все-таки в больших масштабах однородна, а значит, нет особого для жидкой воды направления. Но я также не уверен, почему они должен быть симметричным. Но ведь симметричные узоры делать проще, потому что это в основном повторение одного и того же. Мы можем просто создать небольшой фрагмент и выполнить операции симметрии, чтобы расширить его. К таким операциям относятся отражение, инверсия, вращение, перевод и так далее. Математически это можно сделать, умножив определенные матрицы на координату. Давайте посмотрим пример.

Предположим, мы хотим инвертировать точку (x,y,z) относительно центра инверсии (a,b,c), что мы делаем, умножая фиолетовую матрицу на вектор (x,y,z ,1). Результатом является (2a-x,2b-y,2c-z,1), в котором первые три числа являются координатами перевернутой точки. Проделайте это с каждым атомом молекулы, и мы сможем инвертировать всю молекулу. Отражение, вращение и т. д. — все они имеют свои определенные матричные представления.

Последним структурным соображением является так называемое Ледяное правило. В нем говорится, что конкретная ориентация конкретной молекулы воды не обязательно должна быть уникальной. Например, (на доске) правдоподобны обе структуры. Однако в целом мы должны убедиться в двух вещах. Во-первых, поскольку мы имеем дело с h3Os, каждый кислород должен быть ковалентно связан с двумя атомами водорода. Во-вторых, поскольку молекулы воды связаны водородными связями, между любыми двумя связанными атомами кислорода должен быть водород. Этот водород ковалентно связан с одним из атомов кислорода, следовательно, ближе к нему, и «слабо» связан с другим кислородом, следовательно, дальше от него. В случае льда с необычным давлением есть исключения из правила льда, но для скоплений воды достаточно просто учитывать это правило.

Далее давайте рассмотрим программное обеспечение, которое делает эту задачу возможной. Самая важная вещь называется гауссовским входным файлом, сокращенно gjf. Двойным щелчком по такому файлу мы открываем текстовый файл. Щелкнув правой кнопкой мыши и «Открыть» или «Открыть с помощью GaussView», мы увидим соответствующую визуализацию. Входной файл Gaussian состоит из 3 частей. Первые пять строк — это спецификации файла, которые используются для расчета энергии и не имеют решающего значения для текущего дизайна кластера. Вторая часть — это спецификации атомов. Первые два числа — это заряд и спин всей системы, за которыми следуют элементы и координаты x y z всех атомов. Последняя часть представляет собой таблицу связности. Требуется некоторое время, чтобы понять это. Например, первая строка «1 3 1,0 5 1,0» означает, что атом № 1 соединен с атомом № 3 одинарной связью и с атомом № 5 одинарной связью.

Теперь приступим к программированию. Общий алгоритм у меня такой. Меня вдохновляют алканы, в которых все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации. Поскольку кислород является скелетом кластера, а водород используется только для связи, я сначала осажду весь кислород и, наконец, добавлю водород, чтобы выполнить правило льда. Итак, для начала мы рисуем простую структуру, состоящую исключительно из атомов кислорода, используя GaussView, сохраняем ее как gjf и просим мою программу прочитать ее, выполнить над ней операции симметрии и сохранить результат в другой gjf. После того, как все кислороды будут на своих местах, я добавлю водороды в средней точке каждого соединения O-O и добавлю больше водородов, соединяющихся со случайными кислородами, чтобы водородов было в два раза больше, чем кислорода. Наконец, я использовал утомительный алгоритм, чтобы разместить все атомы водорода в средней точке, чтобы убедиться, что каждый кислород ковалентно связан с двумя и только двумя атомами водорода.

Я пропущу следующие два слайда, так как они посвящены программированию. Вы можете просто обратиться к ним, когда вам случится читать мой код. Только одно замечание: чтобы выполнять операции симметрии не только с атомами, но и со связями, я отмечаю среднюю точку каждой связи, указанную в таблице связности, и рассматриваю эти средние точки, как если бы они были атомами. То есть я также умножаю матрицы операций симметрии на координаты этих средних точек и использую полученные обработанные средние точки для создания новой таблицы связности. 🙂 Это не лучший способ выполнять операции симметрии над связями, но я лучшего способа не придумаешь.

Теперь пришло время использовать эту программу. Я буду использовать пример построения кластера (h3O)100. Я начинаю с этой структуры всего с шестью атомами кислорода. Очевидно, он вдохновлен циклогексаном в форме лодки. Мы можем нарисовать его в GaussView и сохранить как input.gjf. Перетащите файл в папку удаленного компьютера, и после этого запустите программу под названием mybigexe и введите ok.

Далее мы рассмотрим, какую операцию симметрии мы можем сделать с ним. Конечно, мы можем делать что угодно, но не все операции по симметрии приводят к правдоподобным красивым кластерам. Это действительно догадки. Что я сделал, так это отразил молекулу относительно плоскости, определяемой атомами с номерами 2, 4 и 5. Итак, введите 2 на экране управления… Программа попросит вас определить плоскость отражения, поэтому мы просто вводим «2». 4 5′. В качестве альтернативы вам нужно будет сначала ввести «0 0 0» и ввести координаты 3 точек этой плоскости вручную, чтобы определить плоскость.

Теперь мы можем открыть файл output.gjf, чтобы проверить результат. Вот он, обратите внимание, что исходные атомы также сохранены.

Программа спросит вас, хотите ли вы выполнить еще одну операцию симметрии. Если вы хотите выполнить другую операцию симметрии с исходным входом, введите Y. Если вы хотите сохранить результат как новый вход и выполнить с ним операцию симметрии, введите Z. Здесь я ввожу Z и прошу программу отразить молекулу с помощью по отношению к числу атомов 1 3 6,

Снова проверяем output. gjf и обнаруживаем, что получили что-то вроде звезды. Чтобы завершить его, мы добавляем две связи на GaussView и сохраняем его. Затем мы снова вводим Z на экране управления, чтобы эта звезда была сохранена как новый ввод. Мы просим программу повернуть звезду на 120 градусов относительно оси, определяемой атомами 2 и 5, и получить молекулу внизу справа. Вводим Y и просим программу повернуть звезду на 240 градусов относительно той же оси. Теперь мы получаем молекулу с тройной вращательной симметрией.

Мы можем выполнять операции симметрии столько раз, сколько захотим, пока это не станет слишком сложным… Затем мы просто вводим A вместо Y или Z. Теперь программа позаботится обо всех гидрогенах и снова откроет ваш output.gjf , вы найдете там свой водный кластер! Это должно работать в большинстве случаев, если в вашем кислородном скелете нет гипервалентного кислорода. Но я считаю, что иногда этот шаг может сойти с ума, потому что математически не доказано, что мой алгоритм всегда работает. В любом случае, если вы обнаружите какие-либо проблемы, пожалуйста, свяжитесь со мной. 🙂 Кластер, который я здесь делаю, уже найден в природе тремя немецкими химиками, Мюллером, Беггером и Диманном. Но я узнал об этом только после того, как «спроектировал» его. 🙁 Шейд! Который я родился раньше…

Но есть и другие кластеры, которые я сделал! Их энергии рассчитываются по Гауссу. Программа не сложна в использовании, и когда к ней привыкаешь, все, что нужно, — это творчество. Алгоритм размещения водородов есть в другой статье моего блога. Проверьте это, если вы заинтересованы.

Вот оно! Получайте удовольствие! Исследования

После 40-летнего ожидания новая информация о том, как вода группируется вокруг протонов, должна помочь нашему пониманию кислот.

Источник: Марк Джонсон/Йель

Команда Марка Джонсона из Йеля стала первой, кто зафиксировал колебания иона гидроксония в протонированном кластере из 21 воды

Ответ на вопрос лауреата Нобелевской премии спустя десятилетие после этого может помочь нашему пониманию всего, что связано с кислотами, от биологической передачи сигналов до топливных элементов.

В 2004 году лауреат Нобелевской премии по химии Джон Фенн бросил вызов Марку Джонсону из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. 30 лет назад, на фоне сильного интереса к тому, как вода приспосабливает протоны к водным кислотам, Фенн сделал любопытное открытие. ¹ Исследуя рост кластеров воды вокруг протонов в газовой фазе, он обнаружил, что кластеры с 21 молекулой воды и одним протоном необычайно стабильны. Однако с тех пор ни Фенн, ни кто-либо другой окончательно не доказали структуру таких кластеров «магических чисел».

Проблема, вспоминает Джонсон, заключалась в том, что доступные тогда методы инфракрасной спектроскопии не могли получить доступ к той части спектра, где могло происходить поглощение, связанное с протоном. «Фенн поставил перед нами задачу использовать новые ИК-методы», — рассказывает он Chemistry World . Теперь, десять лет спустя и четыре года после смерти Фенн, команда Йельского университета говорит, что нашла долгожданный ответ. ² «Наконец-то мы проследили колебательные переходы, которые говорят нам, как аккомодируется избыточный заряд», — говорит Джонсон.

Помимо решения этой конкретной головоломки, их результаты помогут улучшить моделирование слабых водных кислот, применимых во многих различных областях. «Эти новые экспериментальные данные обеспечивают столь необходимый ориентир для проведения теоретических расчетов структуры воды в присутствии электрического заряда», — говорит Джонсон.

Джонсон говорит, что его команда потратила пару лет на создание прибора, который позволил им проводить эти измерения. «Современные криогенные радиочастотные ионные ловушки дают нам лучший способ охлаждать ионы до четко определенных форм, которые имеют более четкие структурные признаки в инфракрасном диапазоне», — объясняет он. «Это, в сочетании с лучшими ИК-лазерами, которые достигают критических 1500-2500 см ^-1 области, объединенные для выявления ключевых поглощений из-за избытка протонов. Ученые уже согласились с тем, что протон в кластере из 21 воды включен в ион гидроксония H ₃ O ⁺ , который находится поверх клетки из молекул воды. Ион гидроксония удерживается на месте за счет водородных связей между его атомами водорода и атомами кислорода на трех окружающих молекулах воды.

Хосеп Англада и Микель Торрент-Сукаррат из Института передовой химии Каталонии в Барселоне, Испания, ранее независимо рассчитали, как может выглядеть инфракрасный спектр этой структуры. ³ Одним из ключевых предсказаний было то, что ангармоническая связь между различными колебательными модами уменьшит растяжение O-H в ионе гидроксония до 500 см ^-1 .

До сих пор никому не удавалось записать спектры с достаточно низкими волновыми числами, чтобы проверить это, но спектр команды Джонсона показал именно такое поведение. «Эти результаты открывают широкие возможности для идентификации гидратированного протона и способствуют лучшему пониманию его поведения, что является фундаментальной проблемой в химии и биологии», — комментирует Англада.

Энн Маккой из Университета штата Огайо, которая ранее работала с Джонсоном над колебательной спектроскопией, но не участвовала в этой работе, согласна с тем, что результаты «очень важны». «Перенос протонов в водном растворе происходит путем переноса через сеть водородных связей через H ₃ O ⁺ », — объясняет она. «Возможность использовать спектроскопию для кластеров, особенно больших, таких как протонированная вода 21, дает возможность установить связь между дискретно назначаемыми особенностями в спектрах этих более мелких видов и спектром кислых растворов. Используя это, можно экспериментально лучше понять механизмы переноса протонов в воде».

Теперь Джонсон надеется собрать больше доказательств по этому фундаментальному вопросу. «Мы хотим увидеть, как сигнатура встроенного гидроксония меняется в зависимости от размера кластера и температуры. Насколько большой должна быть сборка, чтобы имитировать настоящее изделие?»

Ссылки

1. JQ Searcy and JB Fenn, J.