Магнетит заставил молекулы воды собираться в пары и тройки
Австрийские физики изучили, как на молекулярном уровне происходит процесс адсорбции воды на поверхность оксида железа Fe3O4, и обнаружили, что вода при этом чаще всего собирается в виде димеров и тримеров, в которых одна из молекул находится в форме гидроксид-иона. При дальнейшей адсорбции эти агрегаты формируют упорядоченные сетки с помощью водородных связей, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Адсорбция воды на поверхность материалов — один из тех процессов, постоянно происходящих вокруг нас, важность которых при этом недооценивают на бытовом уровне. Именно адсорбция становится одной из важных стадий растворения химических веществ, коррозии конструкционных материалов или эрозии горных пород. Легче всего вода из воздуха адсорбируется на гидрофильные (например оксидные) поверхности — сначала по одной молекуле, а затем — образуя тонкую смачивающую пленку. Известно, что на молекулярном уровне процесс дальнейшего взаимодействия воды с поверхностью определяется силами связи (в первую очередь водородной) осаждающихся молекул воды с поверхностью и между собой. Однако, из-за сложности системы детально описать процесс формирования молекулярной пленки на поверхности оксидов и других материалов не удавалось ни теоретически, ни экспериментально.
Чтобы лучше понять, по каким именно механизмам вода осаждается на поверхность оксидов металлов, австрийские физики под руководством Гарета Паркинсона (Gareth S. Parkinson) из Венского технического университета с помощью современных микроскопических методов и теоретического анализа исследовали процесс адсорбции молекул воды на поверхность магнетита Fe3O4. Чтобы определить, в каком состоянии молекулы воды адсорбируются на поверхность магнетита, ученые проводили эксперимент в вакууме при температуре жидкого азота (−196 градусов Цельсия) и следили за материалом с помощью сканирующего туннельного микроскопа, к кончику иголки которого была присоединена молекула угарного газа.
Ученые обнаружили, что на поверхность магнетита молекулы воды адсорбируются в нескольких видах: либо в виде отдельных молекул, либо в виде димеров или более протяженных цепочек. После этого поверхность медленно нагревали до −30 градусов Цельсия, в результате чего все молекулы отрывались от поверхности. Оценив количество десорбированных молекул при каждой температуре, физики смогли определить, при каких температурах наиболее вероятно разрушение каждого состояния.
Полученные экспериментальные данные ученые использовали для теоретического моделирования этой системы методом теории функционала плотности. Оказалось, что наиболее устойчивая конфигурация агрегатов адсорбированной воды — димеры, образованные из молекулы воды и гидроксид-иона. Вторым по устойчивости стал тример, состоящий из двух молекул воды и гидроксид-иона. Эти результаты — и количество молекул в агрегатах, и их частичная диссоциация — полностью подтверждают экспериментальные данные, полученные с помощью сканирующей микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Также ученым удалось установить, что при дальнейшей адсорбции эти димеры и тримеры за счет образования водородных связей могут собираться в упорядоченные двумерные решетки.
Авторы работы отмечают, что доказать устойчивость димеров и тримеров, одна из молекул воды в которых находится продиссоциировавшем состоянии, удалось впервые. Предыдущие исследования позволяли говорить об этом только по косвенным данным. При этом, по словам ученых, результаты, полученные при низких температурах, могут быть перенесены и на более реалистичные условия. Кроме того, вероятнее всего, подобные структуры образуются при адсорбции небольшого количества воды на многие оксидные поверхности, не только оксид железа. Физики отмечают, что полученные данные в дальнейшем могут быть использованы, например, при разработке более эффективных катализаторов.
Адсорбированные на оксидные поверхности молекулы воды иногда могут вести себя довольно причудливым образом. Например, в одном из своих предыдущих исследований та же группа ученых обнаружила, что при адсорбции на поверхность перовскитного материала на основе оксидов стронция и рутения молекула воды диссоциирует, но таким образом, что между атомом кислорода и водорода сохраняется слабая водородная связь. А из-за этого молекула начинает вращаться вокруг точки прикрепления.
Александр Дубов
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.