Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

30 января, 2018 21:45

Источник: Наука в Сибири

Структура воды, несмотря на многочисленные исследования, продолжает вызывать интерес учёных. Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) и Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) решили изучить молекулы воды методами широкополосной терагерцовой спектроскопии. Статья об этом вышла в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 

Поделиться

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-h3O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

Теги

СМИ о Фонде, Физика и космос

В «стеснённых условиях» молекула воды меняет свойства

Вода, попав в тесные каналы внутри бериллового кристалла, переходит в особое квантовое состояние с «размазанными» атомами водорода.

В кристаллической решетке берилла присутствуют небольшие пустоты с шестигранным поперечным сечением. У них очень маленький размер – примерно 0,5 нанометра (10^-9 м) в ширину и 0,9 нанометра в длину. Молекула воды в таком небольшом пространстве может разместиться, однако взаимодействие с атомами кристаллической решетки не позволяет ей свободно поворачиваться. Поэтому вода располагается в центре канала, а её атомы водорода остаются повернутыми к одной из шести его граней. Чтобы изменить собственное положение, перейти из одного устойчивого состояния в другое, молекуле воды необходима энергия около 50 мегаэлектронвольт – иными словами, воде нужно преодолеть энергетический барьер.

Структура берилла (красные кружки – атомы кислорода, зеленые – бериллия, синие – кремния, голубые – алюминия). У молекул воды шестью розовыми кружками показаны все возможные положения атомов водорода. (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Рассчитанная плотность зарядов для протона. Желтым цветом показана самая высокая плотность, синим – самая низкая (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

‹

›

Открыть в полном размере

Однако в микромире существует квантовое явление, названное туннельным эффектом – когда частица переходит в другое состояние, даже если ей не хватает энергии. Например, туннельный эффект имеет место при альфа-распаде радиоактивных атомов, когда альфа частица покидает ядро атома, преодолевая барьер, созданный ядерными силами. В случае с водой, заключённой в берилловом кристалле, такой эффект позволяет атомам в молекуле переходить из одного положения в другое, как бы поворачивая ее. Но это не классический поворот, поскольку молекула переходит из одного положения в другое скачком, минуя промежуточные состояния.

О том, что молекула воды может так вести себя в кристалле берилла, впервые несколько лет назад сообщили российские физики, анализировавшие спектры терагерцового излучения молекулы воды. Ее прыжки между состояниями приводят к появлению в спектре нескольких энергетических уровней вместо одного. Но прямых экспериментальных доказательств такого поведения у исследователей тогда ещё не было.

Американские физики из национальной лаборатории Oak Ridge (США) под руководством бывшего сотрудника Института твердого тела РАН Александра Колесникова исследовали рассеяние нейтронов при низких температурах (5-50 градусов Кельвина) на кристалле берилла, содержавшего воду.

Для интерпретации полученных результатов они провели компьютерное моделирование. Эксперимент показал, что молекула воды непрерывно туннелирует между всеми шестью возможными ориентациями. Атомы водорода при этом не находятся в определенном  месте пространства – они «размазаны» вокруг центрального атома кислорода, находясь во всех шести состояниях одновременно.

Их плотность заряда представляет собой волнистое кольцо. Об особом квантовом состоянии воды в кристаллической ловушке исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале в журнале Physical Review Letters.

Такое размытие, или «делокализация» атомов водорода изменяет свойства молекулы воды. В обычном состоянии она несимметрична, поскольку оба атома водорода расположены по одну сторону от атома кислорода. Из-за этого молекула воды поляризована – со стороны атомов водорода она имеет положительный заряд, а со стороны кислорода – отрицательный. Другими словами, она обладает дипольным моментом, который определяет электрические и термодинамические свойства воды, а также  ее способности служить эффективным растворителем. В берилле дипольный момент у молекул воды исчезает из-за размазанности водорода.

Исследователи полагают, что подобное туннелирование имеет место и в других ситуациях, когда вода находится в сильно «стесненных» условиях. Так что результаты данной работы помогут лучше понять диффузию воды, ее транспорт в каналах клеточных мембран, углеродных нанотрубках и геологических средах.

(Для справки. Химическая формула минерала берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈. Некоторые его разновидности являются драгоценными камнями, например изумруд и аквамарин. Окраска этих камней определяется примесями.)

По материалам Oak Ridge National Laboratory 

Тяжелая вода | Определение, формула, подготовка и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Факты и сопутствующий контент

Викторины

• Вода и ее различные формы

Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.