В изумруде нашли новое состояние воды
Физики под руководством Александра Колесникова
из американской Национальной лаборатории в Оук Ридж обнаружили
в наноразмерных каналах кристаллов берилла (изумруд и аквамарин являются
его подвидами) новое состояние воды. Как показали эксперименты
и моделирование, молекулы H2O, запертые в берилле, за счет квантового
туннелирования превращаются в «смазанные копии самих себя» и, например,
теряют дипольный момент. Исследование опубликовано в Physical Review
Letters, кратко о нем можно прочитать на сайте Американского физического
общества.
Берилл, — минерал с химической формулой Be3Al2Si6O18 — образует очень
тонкие и протяженные каналы, которые могут наполняться водой. В этих
каналах существуют сужения, «камеры» диаметром в 0,5 и длиной в 0,9
нанометров, в которых может поместиться лишь одна молекула H2O.
Предыдущие наблюдения с помощью спектроскопии в терагерцовом
диапазоне показали, что молекулы воды внутри берилловых нанокапилляров,
возможно, участвуют в туннелировании, то есть могут «перепрыгивать»
между разными квантовыми состояниями. Однако доказательств
туннелирования и понимания его механизма в данном случае у физиков
до сих пор не было.
В новой работе ученые наблюдали за поведением воды с помощью
нейтронной спектроскопии и параллельно рассчитывали поведение молекул
в кристаллах на компьютере, по методу ab initio (из первых принципов —
то есть моделирование включало квантовые эффекты). В новой статье
исследователи описывают, как им удалось не только предсказать появление
пиков, точно соответствующих энергиям переходов между разными
ориентациями одной молекулы воды, но и зафиксировать эти пики
в эксперименте. Кроме того, физики увидели падение интенсивности пиков
с ростом температуры — это является верным признаком туннелирования, так
как его вероятность падает при нагревании, в отличие от вибрационных
переходов.
Поведение воды в берилле, согласно собранным данным, выглядит
следующим образом. Канал, внутри которого находится молекула, имеет
шесть граней. Атом кислорода в в молекуле воды находится почти в центре
канала, а пара водородов обращена к одной из шести стенок.
С энергетической точки зрения ориентация на любую из шести стенок
равновероятна, но вот провернуться внутри канала и перейти из одной
ориентации в другую молекула воды не может — слишком узок канал,
необходимо слишком много энергии.
Именно тут и проявляется эффект квантового туннелирования, следы
которого физики ранее замечали в терагерцовых спектрах. Оказывается,
молекула воды может поменять ориентацию с одной стенки на другую,
не побывав в среднем положении, — она туннелирует из начальной
в конечную точку поворота. Кроме того, поскольку все шесть положений
эквивалентны, то туннелирование происходит между всеми положениями
одинаково. Фактически, пара атомов водорода H2O размазываются
в пространстве, образуя что-то вроде бублика плотности вокруг центра
канала.
Такое странное поведение воды на микроуровне вызывает
и макроскопические эффекты — у воды в берилле, например, пропадает
дипольный момент. Обычно он вызывается тем, что водороды (которые
заряжены частично положительно) смотрят в одну сторону, а атом кислорода
(который заряжен частично отрицательно) — в другую. Однако
в «берилловой воде» все водороды делокализованы и молекула не имеет
положительно и отрицательно заряженных частей. Поскольку многие свойства
воды (например, высокая энергия испарения и растворяющая способность)
зависят напрямую от дипольного момента, такое состояние воды выглядит
весьма необычно. Хоть его и невозможно перенести из каппиляров
в раствор.
Ученые отмечают, что подобные состояния воды не обязательно привязаны
именно к бериллу или минералам вообще. Они могут возникать при
возникновении сильных стерических затрудней и в других материалах —
например, внутри ионных каналов в белках или в мембранах.
Александр Ершов Источник: cont.ws.
Рейтинг публикации:
|
Статус: |
Группа: Посетители
публикаций 0
комментарий 281
Рейтинг поста:
--------------------